KR101797157B1 - 플라즈마 소스 - Google Patents

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플로린 다니엘 두미니카
빈센트 레끌레르크
에릭 실베르베르그
알레인 다니엘
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아르셀러미탈 인베스티가시온 와이 데살롤로 에스엘
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Abstract

본 발명은 기재(9)에 코팅을 증착하고 전원(P)에 접속될 수 있는 플라즈마 소스(1)에 관한 것이고, 상기 플라즈마 소스(1)는 전극(2); 상기 전극의 주변에 위치되어 있고, 자기 브래킷(46)에 의해 함께 상호 연결된 자석의 세트를 포함하고 제1 및 제2 중앙 자석(43, 44) 및 적어도 하나의 헤드 자석(45)을 포함하는 자석 어셈블리(4); 및 상기 전극 및 상기 자석을 둘러싸도록 배치된 전기 절연 엔클로저(5)를 포함하고 있다.

Description

플라즈마 소스{PLASMA SOURCE}
본 발명은 기재 위에 코팅을 증착하도록 의도된 플라즈마 소스에 관한 것이다. 따라서, 본 발명은 전원에 접속될 수 있고 기재에 코팅을 증착하기 위한 플라즈마 소스에 관한 것이다.
본 발명의 주로 기체 상태로 전구체로부터 기재에 코팅의 박층을 증착하는데 사용되는 플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD)에 적용된다.
이러한 증착의 원리는 전구체 가스의 분해로부터 유도된 산물이 기재 위에 증착되고 증착물을 형성하는 플라즈마를 발생시키는 단계를 수반하기 때문에 단순하다.
이러한 적용에서, 넓은 패널의 기재 및 코팅을 예상할 수 있다. PECVD에 의해 가장 자주 처리되는 기재는 일부 폴리머 및 유리와 유전체, 도전성 금속 및 반도체이다. 일반 명칭 다이아몬드라이크 카본(DLC)으로 알려진 아다만틴 카본 또는 실리콘 디옥사이드(SiO2), 주석 디옥사이드(SnO2), 지르코늄 디옥사이드(ZrO2) 또는 티타늄 디옥사이드(TiO2)와 같은 매우 다양한 코팅이 이러한 기재 위에 증착될 수 있다. 이러한 코팅은 예를 들어, 기재의 표면 위에 내마 필름을 증착시킴으로써 기재를 보호하기 위해; 반사방지 효과를 얻거나 지문방지층을 생성하기 위해; 또는 자체 세정면의 제조에 사용되는 기재에 광촉매 특성을 부여하기 위해 사용된다.
PECVD 방법에 의해 생성된 이온화 비율은 다른 진공 증착 공정과 비교하여 비교적 낮아서, 기재의 온도의 증가는 작다. 따라서, 이러한 방법은 특히 아연도금강 또는 페인트강과 같은 감열성 표면의 처리에 적절하다.
문헌 WO2004/027825로부터 기재에 코팅을 증착하기 위한 플라즈마 소스가 알려져 있다. 이러한 플라즈마 소스는 방전 캐비티를 한정하고 개구의 반대에 기재가 위치되어 코팅될 수 있도록 하는 전극을 포함하고 있다. 이러한 전극의 단면은 바닥부의 각각에 위치된 2개의 측벽을 포함하고 있다. 자석 어셈블리는 전극의 부변에 위치되어 있고 측벽 뒤에 배치되고 서로 마주보는 자극이 동일한 극성을 갖도록 배향된 2개의 사이드 자석, 및 이러한 2개의 자석을 연결하고 전극의 주변에 위치된 자석 지지부를 포함하고 있다. 이러한 2개의 사이드 자석은 외향 자기장선, 즉, 개구를 통과하는 사이드 자석으로부터 방전 캐비티 외측으로 향하는 자기장선, 및 내향 자기장선, 즉, 사이드 자석으로부터 방전 캐비티의 내측으로 향하는 자기장선을 발생시킨다.
이러한 소스가 동작시, 전자는 전극의 표면으로부터 당겨지고 자기장선에 갇히게 된다. 전자가 당겨지는 포인트와 관련하여, 전자는 내향 자기장선 또는 외향 자기장선에 갇힌다. 외향 자기장선에 갇힌 전자는 개구를 통해 플라즈마 소스를 떠나고, 전구체 가스가 분해되는 플라즈마 소스 외측에 플라즈마를 발생시킨다. 그러나, 이러한 플라즈마 소스는 방전 캐비티의 폭 보다 작은 폭의 개구를 갖고 있고 이것은 전자의 배출을 교란시켜 플라즈마의 밀도를 제한한다. 이로 인해 코팅의 품질 및 기재상의 코팅의 증착의 속도가 떨어진다.
본 발명의 목적은 동일한 전력으로, 보다 밀집된, 보다 균일한 플라즈마를 생성하여 보다 양호한 품질의, 보다 빠른 코팅을 얻을 수 있는 플라즈마 소스를 제공함으로써 종래기술의 단점을 극복하는 것이다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 상술된 바와 같은 플라즈마 소스는,
a) 상기 기재가 위치될 수 있는 반대에서 개구에 이르는 방전 캐비티를 한정하는 전극으로서, 상기 전극의 단면은 상기 방전 캐비티로 돌출하는 중앙부가 제공된 바닥부의 각각의 사이드에 위치된 제1 및 제2 측벽을 포함하고, 상기 중앙부는 제1 및 제2 중앙벽 및 상기 2개의 중앙벽을 함께 연결하는 상부를 포함하고 있는 전극;
b) 상기 전극의 주변에 위치되어 있고 자기 브래킷에 의해 함께 연결된 자석의 세트를 포함하는 자석 어셈블리로서, 상기 자석의 각각은 방전 캐비티쪽으로 배향된 노출 자극 및 상기 자기 브래킷쪽으로 배향된 보호 자극을 포함하고 있고, 상기 자석 어셈블리는,
i) 적어도 제1 및 제2 사이드 자석으로서, 상기 제1 사이드 자석 및 제2 사이드 자석은 각각 상기 개구의 근방에서 상기 제1 측벽 및 제2 측벽 뒤에 배치되어 있고, 상기 사이드 자석은 이들의 노출 자극이 동일한 극성을 갖도록 배향되어 있는 적어도 제1 및 제2 사이드 자석;
ii) 적어도 제1 및 제2 중앙 자석으로서, 상기 제1 중앙 자석 및 제2 중앙 자석은 각각 상기 제1 중앙 벽 및 제2 중앙 벽 뒤에 각각 배치되어 있고, 상기 2개의 중앙 자석은 이들의 노출 자극이 상기 사이드 자석의 노출 자극의 극성과 반대의 극성을 갖도록 배향되어 있는 적어도 제1 및 제2 중앙 자석; 및
iii) 상기 상부 뒤에 배치되어 있고 노출 자극이 상기 사이드 자석의 노출 자극의 자성과 동일한 자성을 갖도록 배향된 적어도 하나의 헤드 자석을 포함하는 자석 어셈블리; 및
c) 상기 개구를 막지 않고 상기 전극 및 상기 자석을 둘러싸도록 배치된 전기 절연 엔클로저를 포함하고 있다.
따라서, 본 발명에 따라 상기 사이드 자석에 적어도 2개의 중앙 자석 및 상기 전극의 중앙부의 벽 뒤에 배치된 적어도 하나의 헤드 자석이 추가되어 있다. 이러한 적어도 3개의 자석의 어셈블리에 의해 자기장선의 구성을 수정할 수 있고 특히 외향 자기장선의 밀도를 증가시킬 수 있다. 플라즈마 소스가 동작시, 이러한 고밀화의 효과는 플라즈마 소스의 외측의 자기장선에 그리고 코팅되는 기재의 근방에 보다 많은 수의 전자 및 이온을 가두는 것이다. 따라서, 동일한 전력으로, 보다 밀집된 플라즈마가 얻어지고 기재 위의 코팅의 증착이 가속화된다.
또한, 이러한 적어도 3개의 자석의 어셈블리는 내향 자기장선의 밀도를 증가시킨다. 플라즈마 소스의 동작시에, 이러한 고밀화의 효과로 전자는 이러한 자기장선에 집중된다. 이러한 전자의 비축은 플라즈마의 안정에 기여한다. 따라서, 고압, 즉, 수 mbar에 이르는 고압, 예를 들어, 0.001과 1 mbar 사이의 고압으로 부르는 압력에서 동작할 수 있다. 반면, 최신 기술에서 유지 압력은 0.05 mbar 보다 낮아야 한다. 이것 역시 플라즈를 생성하는데 필요한 전압이 400V 보다 낮기 때문에 보다 약한 진공이 보다 낮은 동작 비용 및 보다 유리한 에너지 평형을 생성한다는 점에서 무시못할 장점이다.
본 발명의 플라즈마 소스는 또한 종속항에 주어진 옵션의 특징을 포함할 수 있고, 이러한 옵션의 특징은 단독으로 또는 조합되어 취해질 수 있다.
본 발명의 플라즈마 소스의 개구는 방전 캐비티와 동일한 폭을 갖는 것이 유리하다.
하나의 바람직한 실시예에서, 상기 자기 브래킷은 헤드 자석의 보호 자극이 자기 브래킷과 완전히 접촉하도록 중간 바가 확대 단부를 포함하는 E 형상을 갖고 있다.
상기 자기 브래킷은 단일 부품으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 플라즈마 소스는 상기 자석 및 전극을 냉각시키는 수단을 포함하는 것이 유리하다.
하나의 바람직한 실시예에서, 상기 냉각 수단은 상기 전극과 상기 자석 어셈블리 사이에 배치되고 열교환용 유체의 순환을 위한 공간을 포함하고 있다.
상기 냉각 수단은 파이프 회로를 포함하는 것이 유리하다.
보다 구체적으로, 상기 플라즈마 소스는 이온화가능 가스를 상기 방전 캐비티에 주입하는 주입 수단을 더 포함하고 있다.
본 발명의 하나의 바람직한 실시예에서, 상기 주입 수단은 바닥부의 근방에 위치되어 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 소스의 다른 실시예가 첨부된 청구항에 나타나 있다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 플라즈마 소스를 포함하는 진공 증착 기기에 관한 것이다.
상기 진공 증착 기기는 본 발명의 제2 플라즈마 소스를 더 포함하고, 상기 2개의 플라즈마 소스는 듀얼 동작을 하는 것이 유리하다.
하나의 유리한 수정에서, 상기 2개의 플라즈마 소스의 대칭축은 20과 110° 사이의 각도 α를 형성하고 있다.
본 발명의 진공 증착 기기에서, 상기 제1 플라즈마 소스의 사이드 자석의 서로 대향하는 자극은 상기 제2 플라즈마 소스의 사이드 자석의 대향 자극의 극성의 반대 극성을 갖고 있는 것이 바람직하다.
본 진공 증착 기기의 다른 실시예는 첨부된 청구범위에 나타나 있다.
본 발명의 다른 특징, 상세 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 제시된 아래의 제한되지 않는 설명으로부터 알 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 소스의 절단 사시도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 소스의 축 A-A을 따른 개략 단면도이다.
도 3은 플라즈마 내외측에 생성된, 도 2에 도시된 플라즈마 소스의 자기장선의 구성의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 플라즈마 소스를 포함하는 진공 증착 기기의 개략 단면도이다.
도 5는 본 발명의 2개의 플라즈마 소스를 포함하고 전원이 교류 전류원인 진공 증착 기기의 개략 단면도이다.
도 6은 종래 기술의 플라즈마 소스를 사용하여 얻어진 실리카 증착의 푸리에 변환에 의한 분광계 분석의 결과를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 소스를 사용하여 얻어진 실리카 증착의 푸리에 변환에 의한 분광계 분석의 결과를 도시하는 도면이다.
도면에서, 동일하거나 유사한 부재는 동일한 부재 번호를 갖고 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 소스는 도 1 내지 도 3과 함께 설명되어 있다.
도 1에서, 본 실시예의 플라즈마 소스는 긴 평행 6면체의 형상을 갖고 있다. 이러한 형상은 플라즈마 소스가 큰 폭의 이동 금속 스트립에 코팅을 증착하도록 의도되어 있는 경우에 요구된다. 증착의 양호한 균일성을 얻기 위해 플라즈마 소스는 금속 스트립의 폭 보다 긴 것이 바람직하다. 대안으로 그리고 다른 사용을 위해, 플라즈마 소스는 예를 들어, 환형상과 같은 다른 형상을 취할 수도 있다.
도 2에서, 플라즈마 소스(1)는 대략 E 형상의 단면을 갖고 방전 캐비티(3)를 한정하는 전극(2), 전극의 주위에 위치된 자석 어셈블리(4) 및 방전 캐비티(3)에 이르는 개구(6)가 남아 있는 상태로 전극과 자석 어셈블리를 둘러싸도록 대략 U 형상을 갖는 단면을 갖는 전기 절연 엔클로저(5)를 포함하고 있다.
전극(2)은 먼저 상기 E의 하부 바 및 상부 바에 상응하는 제1 측벽(21) 및 제2 측벽(22)을 포함하고 있다. 이러한 2개의 측벽은 또한 방전 캐비티의 측벽을 형성한다. 제1 측벽(21) 및 제2 측벽(22)은 각각 바닥부(23, 24) 각각을 통해 상기 E의 중간 바에 상응하는 중앙부(25)에 접속되어 있다.
중앙부(25)는 방전 캐비티로의 돌출부로 구성되어 있고 2개의 중앙 벽(26, 27) 및 이러한 2개의 중앙 벽을 함께 연결하는 상부(28)에 의해 형성되어 있다.
전극 어셈블리는 플라즈마 소스의 동작시 전자가 당겨지는 구리, Al, Ti, 316 스테인레스강과 같은 비자성 도전성 재료로 형성되어 있다. 전극은 단일 부품으로 형성되어 있는데, 그 이유는 이러한 부품이 냉각 벽으로서 사용될 수 있기 때문이다. 그러나, 대안으로, 전극을 형성하도록 함께 조립되는 부품의 세트로 리소스를 갖는 것이 가능하다. 또한, 이온 충돌을 받는 전극의 열화를 제한하기 위해, 전극은 알루미늄, 316 스테인레스강 및 Ti과 같은 비자성 금속 도체로 형성된 판(211, 221, 251)에 의해 보호될 수 있다.
자석 어셈블리(4)는 자기 브래킷에 의해 함께 연결되고 개구(6)의 근방에 특별히 밀집된 외향 자기장선을 발생시키도록 배열된 자석의 세트를 포함하고 있다.
이러한 자석은 영구 자석이고 NdFeB 또는 SmCo 타입의 자석의 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
자석 어셈블리(4)는 먼저 개구(6)의 근방에 전극의 제1 측벽 뒤에 배열된 제1 사이드 자석(41)을 포함하고 있다. 대칭적으로, 제2 사이드 자석(42)은 개구(6)의 근방에 전극의 제2 측벽 뒤에 배열되어 있다.
상기 자석(41, 42)은 각각 방전 캐비티쪽으로 배향된 노출 자극 및 절연 엔클로저쪽으로 배향된 보호 자극을 포함하고 있다. 이러한 2개의 사이드 자석은 서로 마주보는 이들의 노출 자극이 동일한 극성을 갖는 방식으로 배향되어 있다.
자석 어셈블리(4)는 또한 바닥부(23)의 근방에 전극의 제1 중앙벽(26) 뒤에 배열된 제1 중앙 자석(43)을 포함하고 있다. 대칭으로, 제2 중앙 자석(44)이 바닥부(24)의 근방에 전극의 제2 중앙벽(27) 뒤에 배열되어 있다.
중앙벽(43, 44)은 각각 방전 캐비티쪽으로 배향된 노출 자극 및 중앙부의 내측으로 배향된 보호 자극을 포함하고 있다. 이러한 2개의 사이드 자석은 이들의 노출 자극이 상기 자석(41, 42)의 2개의 노출 자극의 극성에 반대되는 극성을 갖는 방식으로 배향되어 있다.
마지막으로, 자석 어셈블리(4)는 중앙부(250의 상부(28) 뒤에 위치된 헤드 자석(45)을 포함하고 있다. 이러한 자석은 방전 캐비티쪽으로 배향된 노출 자극 및 중앙부의 내측으로 배향된 보호 자극을 포함하고 있다. 이것은 그 노출 자극이 사이드 자석(41, 42)의 노출 자극의 극성과 동일한 극성을 갖는 방식으로 배향되어 있다.
자석 어셈블리의 모든 자석은 전극의 주위에 위치된 자기 브래킷(46)에 의해 함께 연결되어 있다. 도 2의 예에서, 그 단면은 대략 E 형상을 갖고 있다. 전극이 동작하기 위해 필요한 모든 것은 각 자석이 적어도 자기 브래킷과 하나의 포인트에서 접촉하고 있어야 한다는 것이다. 그러나, 자기 누설을 피하기 위해, 각 자석의 보호 자극이 자기 브래킷과 완전히 접촉하도록 주의하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 도 2의 예에서 주어진 자기 브래킷은 자석(45)의 보호측이 자기 브래킷과 완전히 접촉하도록 확대된 단부를 중간 바가 갖는 E 형상을 갖고 있다.
다시 자기 누설을 방지하기 위해, 자기 브래킷은 단일 부품으로 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 용이한 조립을 위해 리소스는 연속 어셈블리를 형성하도록 함께 조립된 부품의 세트를 가질 수 있다.
자기 브래킷(46)은 mumetal®, permalloy® steels 및 Ni, Fe 및 Co 금속과 같이 2000 보다 높은 것이 바람직한 비교적 높은 투자율을 갖는 임의의 재료로 형성되어 있다.
자석의 각 배향은 2개의 변형을 나타내는 다음의 표 1 및 2로 요약될 수 있다.
자석 극성
노출 자극 보호 자극
사이드 자석(41) N S
사이드 자석(42) N S
중앙 자석(43) S N
중앙 자석(44) S N
헤드 자석(45) N S
자석 극성
노출 자극 보호 자극
사이드 자석(41) S N
사이드 자석(42) S N
중앙 자석(43) N S
중앙 자석(44) N S
헤드 자석(45) S N
도 2에 도시된 바와 같이, 상술된 것과 같은 자석의 배열 및 배향은 다음의 효과를 갖고 있다.
* 사이드 자석(41, 42)은 외향 자기장선, 즉, 개구(6)를 통과하는 사이드 자석으로부터 방전 캐비티 외측으로 향하는 자기장선, 및 내향 자기장선, 즉, 사이드 자석으로부터 방전 캐비티의 내측으로 그리고 특히 중앙부쪽으로 향하는 자기장선을 발생시킨다.
* 헤드 자석(45)은 사이드 자석에 의해 생성된 것에 더하여 생성된 외향 자기장선을 주로 발생시켜, 아래에 설명된 바와 같이 실질상 외향 자기장선의 밀도를 증가시키고 플라즈마 소스의 기능을 향상시킨다.
* 중앙 자석(43, 44)에 의해 먼저 헤드 자석이 자기 브래킷과 접촉되어 배치될 수 있다. 이러한 자석의 부재시에, 자기 부래킷의 중앙부는 사이드 자석의 보호면과 동일한 극성을 갖게 된다. 즉, 헤드 자석의 보호면의 극성과 동일한 극성을 갖게 되어, 그 결과, 정위치에 배치될 필요가 있는 헤드 자석을 밀게 된다. 반대로, 이러한 자석의 존재시에 자기 브래킷의 중앙부는 다음과 같은 이유로 사이드 자석의 보호면의 극성과 반대 극성을 갖게 된다.
- 먼저 사이드 자석의 보호면의 극성과 반대 극성을 갖는 보호면을 갖는 중앙 자석(43, 44)은 사이드 자석의 보호면과 동일한 극성을 가진 중앙부의 기부에서 자기 브래킷에 부착될 수 있었다;
- 이러한 부착은 자기 브래킷의 중앙부의 단부의 극성을 반전시켰는데, 이러한 단부는 이제 중앙 자석의 보호면과 접촉하고 있다.
* 또한, 중앙 자석(43, 44)으로 인해, 자기 브래킷을 통해 이러한 자석과 사이드 자석 사이에 발생된 자기 루프에 의해 내향 자기장선을 강화시킬 수 있다.
즉, 자석 어셈블리는,
a) 개구 근방의 플라즈마 소스 외측에 주로 위치된, 밀집 외향 자기장선을 갖는 영역(100);
b) 중앙부의 상부와 개구 사이의 방전 캐비티에 위치된, 최종 자계가 존재하지 않는 2개의 영역(101);
c) 중앙부의 각 사이드에 위치된, 강한 밀도의 내향 자기장선을 갖는 2개의 영역(102)을 유도한다.
자기장선의 구성을 최적화하기 위해, 바람직하게는 사이드 자석의 길이가 조정되고 헤드 자석과 사이드 자석의 수직 이등분선 사이의 거리가 조정되어, 사이드 자석은 중앙 자석과 적절하게 상호작용하고 헤드 자석은 중앙 자석과 사이드 자석 모두와 균형잡힌 상호작용을 갖는다. 헤드 자석은 그 노출 자극이 사이드 자석의 수직 이등분선에 있도록 위치되는 것이 바람직하다. 헤드 자석은 전극의 중심에 위치되는 것이 바람직하다. 사이드 자석의 노출 자극 사이의 거리는 8과 12 센티미터 사이에 있는 것이 바람직하다.
상기 설명은 플라즈마 소스의 단면에 상응한다. 그러나, 이러한 단면이 길기 때문에, 상술된 자석의 각각은 단순한 단일 자석이 아닌 플라즈마 소스의 길이 방향으로 정렬된 일련의 병치된 자석으로 구성될 수 있는 것이 명백하다.
이들의 측벽 뒤의 배치에 의해, 중앙벽 및 상부, 자석은 플라즈마 소스가 동작시 방전 캐비티에 지배적인 환경으로부터 절연되어 손상되지 않는다. 또한, 이들은 이들의 자성을 잊지 않는 온도인 퀴리점을 초과하지 않도록 용이하게 냉각될 수 있다. 마그네트론 방전 동안 방전 캐비티에서 만나는 것과 같은 온도에 이르면 사실상 자석의 소자(消磁)의 위험이 높아진다.
이 때문에, 플라즈마 소스는 자석 및 전극을 냉각시키기 위해 냉각 수단(7)을 수용하고 있는 것이 바람직하다. 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각은 전극과 자석 어셈블리 사이에 배치된 공간(7) 내의 열교환용 유체를 순환시킴으로써 보장될 수 있다. 이러한 타입의 냉각은 탈염수와 같은 전기 절연 열교환용 유체가 순환될 때 자석이 전극으로부터 전기 절연될 수 있도록 하는 장점을 갖고 있다.
대안으로 도 3에 도시된 바와 같이, 냉각 수단(7)은 전극의 두께를 통과하거나 그 주변과 접촉하는 납땜 파이프 회로로 형성될 수 있다. 플라즈마 소스의 동작시 냉각은 물 또는 다른 열교환용 유체를 파이프 방식으로 순환시킴으로써 보장된다.
마지막으로, 플라즈마 소스(1)는 개구(6)를 남기고 전극 및 자석을 둘러싸도록 대략 U 형상을 갖는 단면을 갖는 절연 엔클로저를 포함하고 있다. 이러한 장치의 기능의 설명에서 더 알 수 있는 바와 같이, 종래 장치의 경우와 같이 개구(6)는 방전 캐비티의 폭 보다 작은 폭을 가질 필요가 없다. 개구(6)는 방전 캐비티와 동일한 폭을 갖는 것이 바람직하다. 절연 엔클로저를 포함하는 리소스는 플라즈마 소스가 동작시 생성되는 전기 방전이 오직 전극(2)으로부터 나오도록 보장한다.
이러한 절연 엔클로저는 전기 절연 재료, 바람직하게는 마이카나이트, 테플론, 세라믹 함유 수지...에 의해 형성된 그룹으로부터 선택된 유전체를 포함하고 있다.
전극의 동작 동안, 전자 및 이온 충돌로 인해 절연 엔클로저(5)의 유전체가 가열되어, 국부적인 기계적 응력을 발생시킬 수 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해, 수냉 플레이트(71)가 도 2에 도시된 바와 같이 개구(6)의 양측의 유전체(5)에 배치될 수 있다.
이러한 플라즈마 소스는 또한 이온화가능 가스를 방전 캐비티에 주입하는 주입 수단(8)을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 주입 수단의 형상 및 위치는 수정될 수 있다. 이러한 주입 수단은 바닥부(23) 및/또는 바닥부(24)의 근방에 위치되어 플라즈마 소스의 동작시 이온화가능 가스가 바닥부로부터 개구(6)쪽으로 순환하는 것이 바람직하다. 도 2의 예에서, 주입 수단은 방전 캐비티 내의, 전극의 바닥부(23, 24)의 전방에 배치된 주입 파이프로 형성되어 있다. 여기에서, 이러한 파이프는 파이핑의 길이에서 가스를 균일하게 분포시키기 위한 오리피스를 갖는 스테인레스강으로 되어 있다. 주입 수단은 바닥부(23, 24)의 각각의 근방에 배치되어 이온화가능 가스는 방전 캐비티 안에 균일하게 분포되도록 바닥부(23, 24)의 각각의 근방에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 주입 시스템의 기능 및 장점은 아래에 설명되어 있다.
이제 도 4를 참조하여, 진공 증착 기기의 일부로서, 제1 실시예에 따라 동작하는 플라즈마 소스에 대해 설명할 것이다.
먼저 플라즈마 소스가 진공상태로 유지되고 이동 스트립의 형태가 바람직한 기재(9)를 수용하도록 배치된 처리실(도시되지 않음)에 배치된다. 플라즈마 소스는 개구(6)가 기재(9)에 대향하도록 그리고 기재 스트립(9)의 이동 방향과 거의 횡방향으로 배치되는 것이 바람직하도록 배치되어 있다.
플라즈마 소스의 전극(2)은 전원 P, 보통 처리실 외측에 위치된 직류 또는 교류 전류원에 접속되어 있다. 이러한 제1 동작 모드에서, 이동 기재(9)는 상대 전극으로서 동작하고 접지되어 있다.
이러한 처리실은 또한 적어도 하나의 전구체 가스 주입기(10)를 포함하고 있다. 이러한 주입기는 개구(6)의 근방에서 플라즈마 소스에 고정될 수 있다. 그러나, 플라즈마 소스에 독립적이고 플라즈마 소스의 사이드 에지에 가깝게 위치되어, 그 오염쪽으로 기여하는 방전 캐비티의 방향으로의 전구체 가스의 주입을 방지하는 것이 바람직하다. 도 4의 예에서, 주입기는 파이핑의 전체 길이에서 가스의 균일한 분포를 보장하도록 분포된 오리피스를 갖는 파이프에 의해 둘러싸이고 높은 손실 수두를 갖는 다공성 스테인레스강의 파이프망으로 형성되어 있다. 그러나, 임의의 공지된 타입의 전구체 가스의 진공 주입기가 여기에서 사용될 수 있다.
전원 P가 가동될 때, 먼저 전위차가 전극(2)과 기재 사이에 설정된다. 전위차의 효과로, 전자는 전극의 표면으로부터 당겨지고 자기장선에 갇히게 된다. 전자가 당겨지는 포인트와 관련하여, 전자는 내향 자기장선 또는 외향 자기장선에 갇히게 될 것이다.
본 발명의 자석의 특별한 배치에 의해 얻어지는 외향 자기장선의 강한 밀도로 인해, 상당한 수의 전자가 개구(6)의 근방에서 그리고 기재(9)에 가깝게 외향 자기장선에 갇히게 된다.
플라즈마 소스와 기재 사이의 공간의 방향으로 주입된 전구체 가스는 강한 전자 밀도와 접촉하여 이온화되어 플라즈마를 형성한다.
이온화가능 가스는 주입 수단(8)을 통해 방전 캐비티의 바닥부로부터 주입된다. 주입의 힘은 이온화가능 가스를 내향 자기장선에 갇힌 전자와 충돌함으로써 이온화되는 중앙부의 양측에 위치된 강력한 밀도의 내향 자기장선을 갖는 영역(102)쪽으로 밀어낸다.
이러한 이온의 일부는 전극의 벽과 충돌하게 된다. 이것은 전구체 가스의 분해로부터 유도되고 방전 캐비티로 들어갈 가능성이 높은 산물로 방전 캐비티가 오염되는 것을 방지하는 쪽으로 기여한다. 이러한 세정 효과로 캐비티 보다 좁은 폭의 개구의 필요를 제거할 수 있고, 또한 플라즈마 소스로부터 전자의 배출을 용이하게 하도록 기여하여 소스의 성능을 향상시킨다.
또한, 플라즈마 소스로부터 주입된 이온은 에너지를 전하는 기재에 충돌하여 증착층의 밀도를 높이는 쪽으로 기여하게 된다.
마지막으로, 이온화가능 가스는 전구체 가스를 기재쪽으로 밀어내어 플라즈마 소스 내측에 증착층이 형성되는 것을 제한한다.
옵션으로 이온화가능 가스는 동시에, 전구체 가스와 반응할 수 있는 시약 가스일 수 있다.
요컨대, 외향 자기장선의 밀도를 높임으로써 도금되는 기재의 근방에 그리고 플라즈마 소스 외측에 전자 및 이온을 보다 잘 집중시키는 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 동일한 전력으로, 보다 높은 밀도의 플라즈마가 얻어지고 기재 상의 코팅의 증착이 가속화된다.
옵션으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 처리실은 플라즈마 소스 반대 측의 기재의 근방에, 개구(6)에 대향하여 위치된 추가 자석(11)을 수용할 수 있다. 예를 들어, 이것은 스트립(12)의 컨베이어 롤에 통합될 수 있다. 플라즈마 소스(1)쪽으로 향하는 노출 자극은 사이드 자석의 노출 자극의 것과 반대되는 극성을 갖고 있다. 이러한 추가 자석에 의해, 기재의 근방에 외향 자기장선의 밀도를 높일 수 있어서 코팅의 증착을 가속화시킨다. 그러나, 이러한 고밀화로 기재 온도가 증가하기 때문에, 이러한 추가 자석은 수백 도 정도의 온도에 민감한 기재를 처리할 때 사용되지 않는다.
자석(11)이 플라즈마 소스의 길이방향으로 정렬된 일련의 병치된 자석으로 형성되어 있기 때문에, 이러한 자석은 이러한 병치를 허용하는 방식으로 자기 브래킷(13)에 배치되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 플라즈마 소스는 제2 모드에 따라 진공 증착 기기에서 동작할 수 있다. 이러한 경우에, 처리실은 상대 전극으로서 동작하는 제2 플라즈마 소스를 포함하고 있다.
전원 P는 교류 전류원이다. 대형 전극의 전력을 증가시키기 위해, 다수의 전원이 동기화될 수 있다.
전원 P는 제1 플라즈마 소스(1)의 전극(2)에 그리고, 제2 플라즈마 소스(1')의 전극인 상대 전극(2')에 접속되어 있고, 이러한 2개의 전극은,
- 전극이 캐소드로서 동작할 때, 전자 소스;
- 그리고, 전극이 애노드로서 동작할 때 이온 소스로서 교대로 동작하고, 캐소드로부터 유도된 전자에 의해 이온화된 가스는 캐소드 및 기재의 방향으로 배출된다.
이러한 경우에, 용어 듀얼 동작이 사용된다.
바람직하게 도 5에 도시된 바와 같이, 2개의 플라즈마 소스는 2개의 개구(6)가 플라즈마 소스의 대칭축에 의해 형성된 각도 α만큼 서로 경사지도록 수평 암(14)에 피벗 장착되어 있다. 각도 α는 20과 110° 사이에, 바람직하게는 40과 90° 사이에 있고, 보다 바람직하게는 약 60°이다.
상기 전극 및 상대 전극의 배치는 보다 한정된 공간에 전자의 빔과 전구체 가스를 집중시키는 장점을 갖고 있다. 이러한 한정으로 인해, 보다 용이하게 전구체의 활성 에너지에 도달할 수 있고, 이는 증착에 도움이 된다.
전극의 사이드 자석의 대향 자극은 상대 전극의 사이드 자석의 대향 자극과 동일한 극성을 가질 수 있거나 대안으로 반대 극성을 가질 수 있다. 이러한 후자의 경우에, 이러한 2개의 전극 사이의 연속된 자기장선에 의해 증착이 용이해진다.
이러한 제2 동작 모드에서, 기재(9)는 전류 도전성 또는 전기 절연성을 갖는 것에 관계없이 플라즈마 소스로부터 전기 절연되어 있다. 처리되는 기재가 전기 도전성을 갖고 있다면, 전기 절연은 기재(9)를 접지시킴으로써 보장된다. 이러한 동작 모드의 하나의 장점은 직류 전류원으로 기능하는 것이 어려운 기재에 유전체 코팅을 증착시킬 수 있다는 것이다. 상기 코팅에 대해, 직류 방전만으로 불충분한데 그 이유는 신속히 소멸되기 때문이다. 증착 동작 동안, 기재의 표면은 이온의 충돌로 하전된다. 이러한 표면이 절연면이라면 이온 충돌에 의해 유도된 초과 전하는 제거될 수 없다. 그 결과, 플라즈마는 소멸되고 증착은 계속될 수 없다. 이것은 직류에 의한 스퍼터링이 일반적으로 도전층 또는 반도전층의 증착을 위해서만 사용되는 이유이다.
본 발명의 플라즈마 소스에 시행된 검사는 중앙 자석 및 헤드 자석이 자기장선의 고밀화에 상당히 기여하고 그 결과 증착의 속도 및 품질을 향상시킨다는 것을 보여준다.
도 6은 초당 규격 cm3(sccm)로 표현되는, 전구체 가스(헥사메틸디실리옥산 또는 HMDSO)의 유동률과 관련하여 전력(kW)이 변하게 된 종래의 플라즈마 소스를 사용하여 얻어진 실리카 증착의 푸리에 변환에 의한 분광계 분석의 결과를 제공한다. 이러한 증착은 이온화가능 가스 O2, 5의 O2/HMDSO 비, 0.2 mbar의 압력, 50mm의 기재-플라즈마 소스 거리의 조건하에 실행되었다. 낮은 O2/HMDSO 비로 얻어진 실리카 증착은 적용된 전력에 관계없이 유기적 특성(1270cm-1에서 Si-(CH3)x 결합-피크의 존재)을 갖고 있다는 것이 발견되었다. 이러한 유기적 특성은 코팅의 품질을 열화시키기 때문에 바람직하지 않다.
도 7은 본 발명의 플라즈마 소스를 사용하여 얻어진 실리카 증착의 푸리에 변환에 의한 분광계 분석의 결과를 도시하고 있다. 이러한 증착은 도 6과 동일한 조건에서 얻어졌다. 0.2 kW/sscm 보다 높은 전력에 의해, 얻어진 실리카 증착은 무기적 특성을 갖고 있어서(1270cm-1에서 피크의 소멸) 훨씬 더 양호한 품질을 나타낸다.
이러한 결과 역시 본 발명의 플라즈마 소스에 의해, 종래 기술 보다 느린 산소 유동률 및 보다 높은 압력으로 무기 실리카 증착이 얻어질 수 있다는 것을 보여준다. 이것은 처리실의 펌핑율을 최소화하여 필요한 펌프의 수를 최소화하는 장점을 갖고 있다.
기술된 플라즈마 소스의 구성은, 종래기술과 비교하여, 또한 증착율을 증가시켜 보다 높은 증착 수율을 얻을 수 있다. 이러한 증착 수율은 40-50% 정도의 수율을 갖는 최근 기술 보다 훨씬 더 높은 80%에 이를 수 있다. 실리카 증착에 대한 증착 수율은 형성된 실리카층에서 발견된 HMDSO의 규소 원자의 비율로서 정의된다.
본 발명은 상술된 실시예에 제한되지 않고 다수의 수정이 첨부된 청구범위로부터 벗어남 없이 가능할 수 있다.

Claims (15)

  1. 기재(9)에 코팅을 증착하고 전원(P)에 접속될 수 있는 플라즈마 소스(1)로서,
    a) 상기 기재가 위치될 수 있는 반대에서 개구(6)에 이르는 방전 캐비티(3)를 한정하는 전극(2)으로서, 상기 전극의 단면은 상기 방전 캐비티로 돌출하는 중앙부가 제공된 바닥부(23, 24)의 각각의 사이드에 위치된 제1 및 제2 측벽(21, 22)을 포함하고, 상기 중앙부는 제1 및 제2 중앙벽(26, 27) 및 상기 2개의 중앙벽을 함께 연결하는 상부(28)를 포함하고 있는 전극(2);
    b) 상기 전극의 주변에 위치되어 있고 자기 브래킷(46)에 의해 함께 연결된 자석의 세트를 포함하는 자석 어셈블리(4)로서, 상기 자석의 각각은 방전 캐비티쪽으로 배향된 노출 자극 및 상기 자기 브래킷쪽으로 배향된 보호 자극을 포함하고 있고, 상기 자석 어셈블리는,
    i) 적어도 제1 및 제2 사이드 자석(41, 42)으로서, 상기 제1 사이드 자석 및 제2 사이드 자석은 각각 상기 개구(6)의 근방에서 상기 제1 측벽(21) 및 제2 측벽(22) 뒤에 배치되어 있고, 상기 사이드 자석은 이들의 노출 자극이 동일한 극성을 갖도록 배향되어 있는 적어도 제1 및 제2 사이드 자석(41, 42);
    ii) 적어도 제1 및 제2 중앙 자석(43, 44)으로서, 상기 제1 중앙 자석 및 제2 중앙 자석은 각각 상기 제1 중앙 벽(26) 및 제2 중앙 벽(27) 뒤에 각각 배치되어 있고, 상기 2개의 중앙 자석은 이들의 노출 자극이 상기 사이드 자석의 노출 자극의 극성과 반대의 극성을 갖도록 배향되어 있는 적어도 제1 및 제2 중앙 자석(43, 44); 및
    iii) 상기 상부(28) 뒤에 배치되어 있고 노출 자극이 상기 사이드 자석의 노출 자극의 자성과 동일한 자성을 갖도록 배향된 적어도 하나의 헤드 자석(45)을 포함하는 자석 어셈블리(4); 및
    c) 상기 개구를 막지 않고 상기 전극 및 상기 자석을 둘러싸도록 배치된 전기 절연 엔클로저(5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 개구(6)는 방전 캐비티와 동일한 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자기 브래킷은 헤드 자석(45)의 보호 자극이 자기 브래킷과 완전히 접촉하도록 중간 바가 확대 단부를 포함하는 E 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자기 브래킷은 단일 부품으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자석 및 전극을 냉각시키는 냉각 수단(7)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  6. 제5항에 있어서, 상기 냉각 수단은 상기 전극과 상기 자석 어셈블리 사이에 배치되고 열교환용 유체의 순환을 위한 공간(7)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  7. 제5항에 있어서, 상기 냉각 수단(7)은 파이핑 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 이온화가능 가스를 상기 방전 캐비티(3)에 주입하는 주입 수단(8)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  9. 제8항에 있어서, 상기 주입 수단(8)은 바닥부(23, 24)의 근방에 위치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 소스.
  10. 제1항 또는 제2항에 따른 플라즈마 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 증착 기기.
  11. 제10항에 있어서, 제1항 또는 제2항에 따른 제2 플라즈마 소스(1)를 더 포함하고, 상기 2개의 플라즈마 소스는 듀얼 동작을 하는 것을 특징으로 하는 진공 증착 기기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 2개의 플라즈마 소스의 대칭축은 20과 110° 사이의 각도 α를 형성하는 것을 특징으로 하는 진공 증착 기기.
  13. 제11항에 있어서, 상기 플라즈마 소스의 사이드 자석의 대향 자극은 상기 제2 플라즈마 소스의 사이드 자석의 대향 자극의 극성의 반대 극성을 갖는 것을 특징으로 하는 진공 증착 기기.
  14. 제10항에 있어서, 전구체 가스를 주입하는 주입기(10)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 증착 기기.
  15. 제10항에 있어서, 상기 개구(6)로 배향되어 위치되어 있고 상기 플라즈마 소스(1)의 반대측의 기재(9)의 근방에 있고 상기 사이드 자석의 서로 대향하는 자극의 극성의 반대 극성의 상기 플라즈마 소스(1)쪽으로 배향된 자극을 갖는 추가 자석(11)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 증착 기기.
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