KR102389512B1 - 선형화된 활성 무선 주파수 플라즈마 이온 소스 - Google Patents

선형화된 활성 무선 주파수 플라즈마 이온 소스 Download PDF

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Abstract

플라즈마 이온 소스는 플라즈마 챔버 바디의 내부에 공급 가스를 도입하기 위한 적어도 하나의 주입구를 가지는 플라즈마 챔버 바디를 포함한다. 플라즈마 챔버 바디는 플라즈마 챔버 바디에 부착된 진공 챔버로부터 전기적으로 격리된다. 플라즈마 챔버 바디의 내부의 유도 안테나가 여기에 공급된 RF 전압의 함수로서 전자기 에너지 소스를 공급하도록 배열된다. 플라즈마 이온 소스는 플라즈마 챔버 바디의 말단에서 배치된 추출 그리드를 포함한다. 추출 그리드와 플라즈마 챔버 바디 사이의 전압 차이는 플라즈마 방전 내의 하전된 종을 가속하여 출력 준-중성 플라스마 이온 빔을 생성시킨다. 플라즈마 챔버 바디에 적용된 바이어스 전압은 펄스 DC 전압과 결부된 안테나에 공급된 RF 전압의 부분을 포함한다.

Description

선형화된 활성 무선 주파수 플라즈마 이온 소스
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2017년 11월 13일에 제출된 "선형화된 활성 무선 주파수 유도 플라즈마 이온 소스"로 명명된 미국 가특허 출원 번호 62/585,126 및 2018년 11 월 8 일에 제출된 "선형화된 활성 무선 주파수 플라즈마 이온 소스"로 명명된 미국 가특허 출원 번호 16/184,177의 이익을 주장하며, 그 전체 내용이 모든 목적을 위해 전체적으로 참고로 본원에 명확히 혼입된다.
분야
본 발명은 일반적으로 전기, 전자 및 컴퓨터 기술, 보다 상세하게는 가스 방전 (플라즈마)의 생성을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
플라즈마 시스템은 다른 응용 중에서도 고상 물질의 생산, 공정 및 처리에 중요하다. 플라즈마 소스로도 알려진 플라즈마 반응기는 박막의 성장, 분산, 에칭 및 세정을 포함하지만 이에 제한되지 않는 많은 플라즈마 공정 응용에 사용될 수 있다. 플라즈마 소스는 일반적으로 플라즈마 강화 화학 기상 증착 (plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)에 의해 박막 재료의 증착을 위해 사용되는 반면, 이온 소스는 다른 응용 중에서도 통상적으로 표면의 처리에 채용되어 습윤성을 변경하고 오염 또는 잔류 세정 용매를 제거하며 코팅 및 박막 재료의 접착력을 향상시킨다.
화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)은 박막 재료의 증착에 사용되는 공지된 기술이다. CVD는 통상적으로 가스 내에 기화되는 액체 화학 전구체를 채용한다. CVD는 대기압 또는 진공 조건 하에 수행 될 수 있다. 많은 종래의 CVD 공정에서, 기판 표면 상에 증착되는 화학 반응을 개시하기 위해 열적 에너지가 필요하다; 열적 에너지는 예를 들어, 저항성 히터 또는 복사 램프에 의해 공급 될 수 있다. 일반적으로, 기판은 수백 내지 수천 섭씨 온도로 가열되어야 하는데, 이는 전구체 가스가 화학적으로 반응하고 기판 표면 상에 박막 코팅을 형성하기 위함이다. 이 시나리오에서 가열된 기판은 CVD의 주요 에너지 원으로 작용한다. 표면 화학 반응은 막 증착의 주요 원인이다; 기체 상태에서의 기상 반응은 일반적으로 바람직하지 않으며, 종종 증착된 박막의 결함을 유도하는 입자의 형성을 유도한다.
대조적으로, 플라즈마 방전은 PECVD에서 1 차 에너지 소스로서 작용한다. 플라즈마는 주로 양으로 하전된 이온과 음으로 하전된 전자로 구성된 이온화된 가스이다. 플라즈마는 거의 완전히 이온화되면 "핫"으로 분류되고, 소량의 가스 분자 (예를 들어, 약 1 % 정도) 만 이온화되면 "콜드"로 분류된다. 일반적으로, PECVD에 사용되는 플라즈마는 "콜드" 저온 플라즈마이다. 그러나, "콜드" 플라즈마 내의 전자는 통상적으로 수십 전자 볼트 (eV) 정도의 에너지 (즉, 플라즈마 물리학의 맥락에서, 온도)를 갖는다. 플라즈마 내의 자유 전자는 가스 전구체 내에서 화학 반응을 개시하기에 충분한 에너지를 가져서 CVD에 비해 훨씬 낮은 기판 온도에서 기판 상에 증착되는 결과를 초래한다. 또한, 플라즈마 방전 내의 양이온은 기판을 충돌시키고 이들의 운동량을 성장하는 필름으로 전달한다. 그러나, 이 운동량 전달은 일반적으로 기판의 온도를 증가시키지 않는다. 또한, 이온은 일반적으로 수십 전자 볼트 정도의 낮은 에너지를 갖는다.
PECVD 공정에서, 증착 동안 기판 상에 충돌하는 이온의 에너지를 증가시켜 박막 코팅의 하나 이상의 특성을 맞추는 것이 바람직할 수 있다. PECVD를 위한 종래의 플라즈마 소스는 기판에 전압을 인가하지 않고 이온의 에너지를 증가시키는 능력이 부족하며, 통상적으로 기판 바이어싱이라 지칭한다. 기판 바이어싱은 정적 (즉, 정지) 소면적 (예를 들어, 약 1 제곱미터 미만) 기판에 효과적일 수 있지만, 이러한 기술은 대면적 기판이 (예컨대, 가요성 웹, 디스플레이 유리, 건축 유리, 차량 유리, 광전지 패널 등)은 코터를 통해 이동하는, 예를 들어 웹 또는 인라인 코팅기와 같은 산업용 진공 코팅기의 용도에 사용하기에는 실용적이지 않다.
요약
본 발명의 하나 이상의 구체예는 플라즈마 강화 화학 기상 증착 (plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD)에 의해 넓은 영역에 박막 코팅을 증착시키는 기술을 포함하는데, 이는 이온 에너지 및 이온 전류 밀도 (즉, 이온 플럭스)가 서로 연속적이고 독립적으로 변할 수 있는 선형의 자기 중화 활성 플라즈마 이온 소스를 사용하는 방법이다. 하나 이상의 구체예에 따른 플라즈마 이온 소스는 이온 빔 보조 화학 기상 증착 (ion beam assisted chemical vapor deposition, IBACVD)에 적합하다; 구체적으로, 유리 및 중합체 기판 상에 다이아몬드형 탄소 (diamond-like carbon, DLC) 및 다이아몬드형 나노 복합체 (diamond-like nanocomposite, DLN) 박막과 같은 기계적 내구성 및 스크래치 저항성 코팅을 증착하기 위함이다.
본 발명의 일 구체예에 따른 예시적인 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스는, 플라즈마 챔버 바디가 부착되는 진공 챔버로부터 전기적으로 격리되는 플라즈마 챔버 바디를 포함하고, 플라즈마 챔버 바디는 플라즈마 이온 소스의 전극의 역할을 수행하고 여기에 적용된 바이어스 전압을 수신하도록 조절된다. 유도 안테나는 플라즈마 챔버 바디의 내부에 배치되고 플라즈마 챔버 바디의 내부에 전자기 에너지 소스를 공급하도록 배열된다. 안테나는 안테나에 공급된 무선 주파수 (RF) 전압의 함수로서 플라즈마 챔버 바디의 내부에 한정된 플라즈마 방전을 유지하도록 동작하며, 바이어스 전압은 플라즈마 챔버 바디에 적용되어 플라즈마 방전 내의 하전된 종에 정전기 전위를 공급한다. 플라즈마 이온 소스는 유도 안테나에 대향하는 플라즈마 챔버 바디의 말단에 배치된 추출 그리드를 더 포함한다. 추출 그리드는 진공 챔버와 동일한 전압 전위에 있으며, 추출 그리드 및 플라즈마 챔버 바디 사이의 전위 차이는 추출 그리드 외부로의 플라즈마 방전 내에서 하전된 종을 가속시키도록 배열되어 출력 준-중성 플라즈마 이온 빔을 생성한다. 바이어스 혼합기는 플라즈마 챔버 바디에 결부되며, 바이어스 혼합기는 안테나에 공급 된 RF 전압의 일부를 펄스 직류 (DC) 전압과 결합시켜 플라즈마 챔버 바디에 적용된 바이어스 전압을 생성한다.
본원에서 사용될 수 있는 바와 같이, "가능하게 하는"은 동작을 수행하는 것, 동작을보다 쉽게하는 것, 동작을 수행하는 것을 돕는 것, 또는 동작이 수행되게 하는 것을 포함하는 행동이다. 따라서, 제한이 아닌 예시로서, 하나의 프로세서 상에서 실행되는 지시는 동작이 수행되게 하거나 보조하기 위해 적절한 데이터 또는 명령을 전송함으로써 원격 프로세서 상에서 실행되는 지시에 의해 수행되는 동작을 가능하게 할 수 있다. 의심의 여지를 피하기 위해, 동작기가 동작을 수행하는 것 이외의 액션을 가능하게 하는 경우, 동작은 일부 독립체 또는 독립체의 조합에 의해 수행된다.
다양한 유닛, 회로, 모듈 또는 다른 구성 요소가 본원에서 특정 작업 또는 작업들을 수행하도록 "배열되는" 것으로 설명될 수 있다. 이러한 맥락에서, "배열된"이라는 용어는 일반적으로 동작 중 특정 작업 또는 작업들을 수행하는 “회로 또는 하드웨어를 갖는 것"을 의미하는 구조의 인용으로 광범위하게 이해되는 것으로 의도된다. 따라서, 유닛, 회로, 모듈 또는 구성 요소는 유닛, 회로, 모듈 또는 구성 요소가 현재 전력이 켜져 있지 않은 경우에도 대상 작업을 수행하도록 배열될 수 있다. 일반적으로, "배열된"에 대응하는 구조를 형성하는 회로 또는 하드웨어는 언급된 동작을 구현하기 위해 실행 가능한 하드웨어 회로 및/또는 메모리 저장 프로그램 지시를 포함할 수 있다. 유사하게, 다양한 유닛, 회로, 모듈 또는 구성요소는 설명의 편의를 위해 작업을 수행하는 것으로 설명될 수 있다. 이러한 설명은 어구 "배열되는 것"을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 하나 이상의 작업을 수행하도록 배열된 유닛, 회로, 모듈 또는 구성 요소를 인용하는 것은 명시적으로, 유닛, 회로, 모듈 또는 구성요소의 해석에 대한 35 U.S.C 112조 (f)항을 선포하는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명의 구체예에 따른 기술은 실질적으로 유리한 기술적 효과를 제공한다. 단지 예시로서 그리고 제한없이, 본 발명의 하나 이상의 구체 예는 다른 이점들 중에서 다음 중 하나 이상을 달성한다:
* 이온 빔의 양의 공간 전하를 보상하기 위해 2차 또는 보조 전자 소스의 필요없이 자기 중화 이온 빔을 생성하는 RF 플라즈마 이온 소스;
* 이온 전류 밀도 (즉, 이온 플럭스) 및 이온 에너지를 독립적으로 제어 할 수있는 RF 플라즈마 이온 소스;
* 기판 바이어스의 필요 없이 활성 이온 빔을 생성시키도록 배열되고, 대면적 이동 기판 상에 막을 증착하기에 적합한 RF 플라즈마 이온 소스;
* 스크래치 저항성, 경도, 소수성 등과 같은 유리한 특성을 제공하기 위해 필름 핵 생성 및 성장 동안 활성 이온 충격이 필요한 필름의 증착이 가능한 RF 플라즈마 이온 소스;
* 유지 보수 없이 연장된 작동 기간 (예 : 수십 시간 이상)에 걸쳐 전기 절연 코팅 또는 필름을 증착할 때 안정적인 작동이 가능한 RF 플라즈마 이온 소스.
본 발명의 이들 및 다른 특징 및 장점은 첨부 도면과 관련하여 읽을 수 있는, 도시적인 구체예에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
다음의 도면은 단지 예시로서 그리고 제한없이 제시되며, 여기서 유사한 참조 번호 (사용될 때)는 몇몇 도면에 걸쳐 대응하는 요소를 나타내고, 여기서:
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따라 기판의 표면을 처리하기 위해 사용되는 선형화된 무선 주파수 (RF) 구동 플라즈마 이온 소스를 포함하는 예시적인 장치의 적어도 일부를 개념적으로 도시하는 사시도이다;
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른, 도 1에 도시된 예시적인 플라즈마 이온 소스를 구현하기에 적합한 예시적인 선형화된 RF 구동 플라즈마 이온 소스의 적어도 일부를 도시하는 등각도이다;
도 3은 본 발명의 일 구체예에 따른 예시적인 플라즈마 이온 소스 장치의 적어도 일부를 도시한 단면도이다;
도 4는 본 발명의 일 구체예에 따른 개선된 열 관리를 갖는 예시적인 플라즈마 이온 소스 장치의 적어도 일부를 도시하는 단면도이다;
도 5는 본 발명의 일 구체예에 따른 자기 강화를 갖는 예시적인 플라즈마 이온 소스 장치의 적어도 일부를 도시한 단면도이다;
도 6은 본 발명의 일 구체예에 따른 선형화된 RF 구동 플라즈마 이온 소스를 포함하는 예시적인 인라인 코터 또는 박스 코터 시스템의 적어도 일부를 개념적으로 도시한 블록도이다;
도 7은 본 발명의 일 구체예에 따른 도 6에 도시된 예시적인 플라즈마 이온 소스로부터 추출된 이온 전류 밀도에 대한 바이어스 전압의 영향 및 바이어스 전압의 펄스 주파수를 도시하는 그래프이다;
도 8은 본 발명의 일 구체예에 따른 도 6에 도시된 예시적인 플라즈마 이온 소스로부터의 이온 에너지에 대한 바이어스 전압의 영향을 나타내는 그래프이다.
도면의 요소는 단순성 및 명확성을 위해 도시되어 있음을 이해해야 한다. 상업적으로 실현 가능한 구체예에서 유용하거나 필요할 수 있는 일반적이지만 잘 이해되는 요소는 도시 된 구체예의 덜 방해되는 관점을 가능하게 하기 위해 도시되지 않을 수 있다.
바람직한 구체예의 상세한 설명
본 발명의 원리는 플라즈마 강화 화학 기상 증착 (PECVD)에 의해 박막 코팅을 증착하는 데 사용하기 위해 넓은 커버리지 영역에 걸쳐 무선 주파수 (RF) 하전된 이온의 준-중성 선형화된 활성 빔을 생성하기 위한 예시적 장치 및 방법과 관련하여 본원에 설명될 것이다. 하나 이상의 구체예에서, 소스 전극을 제공하는 플라즈마 챔버 바디에 결합된 펄스 직류 (DC) 및 RF 전압의 신규한 적용에 의해 이온 전류 밀도 및 이온 에너지의 독립적인 제어를 유리하도록 가능하게 하는 방법 및 장치가 제공된다. 그러나, 본 발명은 본원에 예시적으로 도시되고 설명된 특정 장치, 시스템 및/또는 방법으로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 본 원의 교시를 고려하여 통상의 기술자에게 청구된 발명의 범위 내에 있는 도시 된 구체예에 대해 많은 변형이 이루어질 수 있음이 명백할 것이다. 즉, 본원에 도시되고 설명된 구체예에 대한 어떠한 제한도 의도되거나 유추되어서는 안된다.
예비적인 문제로서, 본 발명의 명확한 목적과 구체예를 명확하게 설명하기 위해, 하기 표는 용어가 본원에 사용된 바와 같이 특정 두문자 및 이에 상응하는 정의의 요약을 제공한다:
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두문자 정의 표
상세한 설명 전반에 걸쳐, 특정 용어가 사용되며, 그 정의는 명시적으로 제공될 수 있다. 본 원에서 용어가 명시적으로 정의되지 않은 경우, 해당 용어는 통상의 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이 관련 기술 분야의 맥락에서 일반적으로 사용되므로 용어의 일반적인 의미가 의도된다.
예를 들어, 본 명세서에서 사용되는 용어 "플라즈마"는 광범위하게 이해되며 전체적인 전하를 거의 생성시키지 않는 비율로 양이온 및 자유 전자를 포함하는 이온화 또는 부분 이온화 가스를 포함하도록 의도된다. 다시 말해서, 플라즈마는 일반적으로 동일한 수의 양전하 및 음전하 및 상이한 수의 비-이온화된 중성 분자로 구성된다.
본원에 사용된 용어 "기판"은 광범위하게 이해되고 코팅된 물질 또는 층을 포함하도록 의도된다. 기판은 강성 또는 가요성일 수 있고, 예를 들어 유리, 중합체, 금속, 반도체 또는 어떤 방식으로 코팅되거나 달리 변형될 수 있는 임의의 다른 재료를 포함할 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "이온 빔 보조 화학 기상 증착 (IBACVD)"은 광범위하게 이해되고 활성 준-중성 이온 빔을 채용하는 화학 기상 증착 (CVD) 프로세스를 포함하도록 의도되는데 이들은 두 가지 별개의 것이지만 플라즈마-화학 프로세스와 관련된 것을 보조한다:
1) 기판 재료 근처에 도입된 기체 전구체 증기의 단편화, 여기 및 이온화; 및 2) 연속적이고 치밀한 박막 코팅을 형성하기 위해 기판의 표면에서 응축되는 전구체 종의 치밀화, 변형 및 화학적 활성화.
본원에 사용된 용어 "무선 주파수 (RF)"는 광범위하게 이해되고 신호 (예를 들어, 전압 및 전류)가 사인파(sinusoidal) 방식으로 일부 주파수에서 변화하는 무선 주파수 생성기로부터의 전력의 적용을 포함하도록 의도된다. 전압 변화는 일반적으로 음에서 양이다. 하나 이상의 개시된 구체예에서, 채용된 RF 신호의 주파수는 약 2 MHz이지만, 본 발명의 구체예는 임의의 특정 주파수로 제한되지 않는다. 예를 들어, 하나 이상의 다른 구체예에서, 4 MHz, 13.56 MHz, 27.12 MHz 및 40 MHz의 주파수를 갖는 상용 RF 플라즈마 생성기가 유사하게 채용될 수 있다.
본원에 사용된 용어 "유도 안테나"는 광범위하게 이해되고 시간-변이 자기 (또는 유도) 장 형태의 전자기 또는 RF 에너지를 다른 바디 내에 결부시키는 수동 구성 요소를 포함하도록 의도된다. 하나 이상의 구체예에서, 의도된 바디는 이온화된 가스 종으로 구성된 플라즈마 방전이다. 하나 이상의 구체예에서, 유도 안테나는 직사각형, 정사각형 또는 실린더의 기하학적 형상을 갖는 다중 회전 수냉식 구리 튜빙으로 구성되며, 바람직하게는 길이보다 작은 폭을 갖는 직사각형 형상으로 구성된다. 본 발명의 구체예는 본원의 교시를 고려하여 통상의 기술자에게 명백한 바와 같이 유도 안테나의 임의의 특정 기하학적 형상 또는 치수로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본원에 사용된 용어 "패러데이 쉴드"는 광범위하게 이해되고 유도 안테나와 플라즈마 사이에 배치된 슬릿 또는 다른 개구 (즉, 조리개)를 갖는 전도성 메쉬 또는 인클로저(enclosure)를 포함하도록 의도되고 이의 플라즈마는 유도 안테나의 와인딩 및 플라즈마 사이의 용량성 결합(전기장)을 감소시킨다. 하나 이상의 구체예에서, 패러데이 쉴드는 예를 들어 알루미늄 또는 구리와 같은 높은 전기 전도성을 갖는 금속으로 구성된다. 또한, 하나 이상의 구체예에서, 패러데이 쉴드는 주기적 간격으로 유도 안테나 주위에 배치된 개별 요소로 구성된다. 본원의 교시를 고려하여 통상의 기술자에게 명백한 바와 같이 패러데이 쉴드의 다른 구체예가 유사하게 사용될 수있다.
본원에 사용된 용어 "펄스 DC"는 광범위하게 이해되고, 파형이 반드시 사인파일 필요는 없으나(예 : 구형파, 펄스 트레인 등), 예를 들어 반파 정류기 또는 전파정류기로부터, 일반적으로 생성되는 직류 (DC) 전력으로부터의 전력의 응용을 포함하도록 의도된다. 펄스 DC 신호는 DC 및 교류 (AC) 신호의 특성을 모두 가지고 있다. DC 신호의 전압은 일반적으로 일정하지만 AC 신호의 전압은 사인파 방식으로 일부 주파수에서 변한다. AC 신호와 유사하게, 펄스 DC 신호는 연속적으로 변하지만, DC 신호와 유사한 방식으로 전압의 신호(sign)는 일반적으로 일정하다. 펄스 DC 신호의 전압 변화는 일반적으로 구형파와 유사하다. 다양한 펄스 DC 신호가 일반적으로 단극으로 지칭되는, 단극성 전압 출력 (양 또는 음) 및 일반적으로 바이폴라로 지칭되는, 양극 전압 출력 (양 및 음)과 함께 채용될 수있다. 양극성 신호의 경우, 펄스 DC 생성기는 양의 전압과 음의 전압의 크기가 같거나 (일반적으로 대칭이라 지칭함) 같지 않은 (일반적으로 비대칭이라 지칭함) 전압 출력을 전달한다. 본 발명의 하나 이상의 예시적인 구체예에서, 비대칭 바이폴라 펄스 DC 생성기는 약 5KHz 내지 350KHz의 주파수 범위로 채용된다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "공급 가스"는 광범위하게 이해되고 플라즈마 이온 소스의 플라즈마 챔버 바디 내로 직접 도입되고 RF 유도 안테나에 의해 생성된 플라즈마 방전을 포함하는 가스를 포함하도록 의도된다. 본 발명의 하나 이상의 구체예에서, 공급 가스는 순수한 가스, 예를 들어 아르곤, 산소, 질소 및/또는 다른 이온화 가능한 가스, 또는 상기 언급 된 가스 중 하나 이상의 혼합물로 구성될 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 본 발명의 구체예는 본원의 교시를 고려하여 통상의 기술자에게 명백한 바와 같이 임의의 특정 가스 또는 가스 혼합물로 제한되지 않음이 이해되어야 한다.
본원에 사용된 용어 "전구체 가스"는 광범위하게 이해되고 다른 화합물을 생성하는 화학 원소 또는 원소들을 포함하는 분자 형태의 가스를 포함하도록 의도된다. 하나 이상의 구체예에서, 화합물은 기판 상에 응축되고 통상의 기술자에 의해 박막 층 또는 층들로 지칭될 수 있는 고체 코팅을 형성한다.
전술한 바와 같이, PECVD 공정에서, 증착 동안 기판 상에 충돌하는 이온의 에너지를 증가시켜 박막 코팅의 하나 이상의 특성을 조정하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 종래의 PECVD 플라즈마 소스는 기판 바이어싱을 채용하지 않고 (즉, 기판에 전압을 적용하지 않고) 이온 에너지를 증가시키는 능력이 부족하다. PECVD를 위한, 특히 유전체 박막의 증착을 위한, 대부분의 종래의 선형 플라즈마 소스는 플라즈마 소스의 동작에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 이온 에너지를 독립적으로 증가시키는 능력이 제한되어있다. 이러한 종래의 선형 플라즈마 및 이온 소스는 양극 층 소스, 엔드 홀 소스, 그리드 이온 소스, 마그네트론 플라즈마 소스, 중공 음극 소스, 마이크로파 소스, RF 용량 및 유도 소스 및 폐쇄 드리프트 소스를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 이들 소스 중 일부는 플라즈마 처리 및 이온 보조 물리 기상 증착 응용에 성공적으로 사용되었지만, 내부 및 외부 구성요소 상의 절연막의 증착 및 이들의 길이에 걸친 이온 빔 공간 전하의 부적절한 중성화로 인해 불안정한 동작에 적어도 일부분으로 인해 기판의 PECVD 프로세싱에 덜 효과적이다.
예를 들어, 양극 층 및 엔드 홀 소스는 작동하기 어렵고 적어도 상기 언급된 이유로 적용이 제한되어 왔다. RF (용량 타입 및 유도 타입) 소스는 주로 반도체 웨이퍼와 같은 소규모 기판에 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 접근법은 다른 요인들 중에서도 임피던스 매칭의 복잡성 및 비용, 매우 느린 증착 속도 및 미립자의 생성으로 인해 광역 기판으로 스케일링 업하는 데 어려움을 겪어왔다. 마이크로파 소스 및 중공 캐소드 소스는 각각 광전지 패널 및 건축 유리의 처리에 이용되어 왔다. 그러나, 이들 소스는 일반적으로 저에너지 이온 (예를 들어, 약 15 내지 25 eV 미만)을 생성하고, 소스 장치는 독립적인 이온 가속 능력을 갖지 않는다. 마그네트론 플라즈마 소스 및 폐쇄 드리프트 타입 소스는 이온 에너지의 독립적 제어를 위한 제한된 능력을 갖는다. 일반적으로 이온 에너지는 소스의 방전 전압 및 작동 압력과 관련이 있다. 따라서, 이온 에너지를 조절하기 위한 제한된 공정 윈도우가 존재한다. 그리드 이온 소스는 일반적으로 물리적 증착 공정, 예를 들어 스퍼터링 또는 증발 동안 플라즈마 처리 또는 이온 보조에 사용된다. PECVD 공정을 위한 이들 소스의 적용은 추출 그리드 및/또는 소스 구성 요소 (내부 또는 외부) 상에 절연막의 증착으로 인한 소스의 불안정한 작동으로 인해 적어도 부분적으로 제한되어 왔다. 또한, 그리드 소스는 공간 전하 보상을 위한 점 전자 소스의 사용으로 적어도 부분적으로 인해 광역 기판에 고르지 않은 중화를 나타낸다.
본 발명의 양태는 이온 에너지 및 이온 전류 밀도가 연속적이고 독립적으로 변할 수 있도록 배열된 기하학적으로 선형이고 자기 중화 플라즈마 이온 소스를 사용하여 PECVD에 의해 대면적 (예를 들어, 약 0.4 미터 초과)에 걸쳐 박막 코팅을 증착하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 보다 구체적으로, 본 발명의 하나 이상의 구체예는 유도적으로 결합된 플라즈마 이온 소스를 채용하여 이온, 전자 및 중성 가스 입자의 고밀도 및 비열 플라즈마를 생성한다. 하나 이상의 구체예에서, 유도적으로 결합된 플라즈마는 전도성 물질로 구성된 바디의 내부에 배치된 RF 구동 안테나에 의해 생성되고 유지된다. 바디는 기계적으로 강성이고 진공 상태이며 제조 비용이 저렴한 플라즈마 챔버를 형성한다. 하나 이상의 구체예에서, 플라즈마 이온 소스는 장착 플랜지 또는 다른 부착 수단을 통해 약 10-6 내지 10-8 Torr의 압력이 바람직하게 유지되는 진공 챔버 상에 외부적으로 부착된다.
본 발명의 구체예에 따른 플라즈마 이온 소스는 대면적 유리 및 폴리머 기판상에, 기계적으로 내구성이 있고 스크래치 저항성인 코팅, 예를 들어 다이아몬드형 탄소 (diamond-like carbon, DLC) 및 다이아몬드형 나노 복합체 (diamond-like nanocomposite, DLN) 박막을 증착할 수 있는 IBACVD 공정에 사용하기에 유리하게 적합하다. 산업 규모 공정의 경우, 본 발명의 구체예는 상당한 길이(예를 들어, 0.4 미터 초과)에 걸쳐 균일하고 안정적인 활성 준-중성 빔을 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른, IBACVD 응용에 사용하기 위한 선형화된 RF 구동 플라즈마 이온 소스 102를 포함하는 예시적인 장치 100의 적어도 일부를 개념적으로 도시한 사시도이다. RF 구동 플라즈마 이온 소스 102는 번역 (즉, 이동 또는 고정되지 않은) 기판 104에 근접하여 위치한다. 하나 이상의 구체예에서, 기판 104는, 예를 들어 운송 메커니즘 106을 사용하는 것과 같이, 기판 104의 상부 표면을 향하는 플라즈마 이온 소스의 하부 표면과 실질적으로 평행한 방향으로, 플라즈마 이온 소스 102에 대해 바람직하게는 이동된다. 운송 메커니즘 106은 컨베이어 벨트, 테이블 및 테이블을 구동하도록 배열된 모터, 롤투롤(R2R)어셈블리 등을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 플라즈마 이온 소스 102에 대한 기판 104를 번역하기 위한 다른 적절한 메커니즘 및 방법은 고정 기판과 함께 움직이는 플라즈마 이온 소스의 사용 등을 포함하여, 통상의 기술자에게 명백해질 것이다. 본 발명의 구체예와 함께 사용하기에 적합한 기판 104는 가요성 웹, 디스플레이 유리, 건축 유리, 차량 유리, 광전지 패널 등을 포함하나, 이에 제한되지 않는다.
플라즈마 이온 소스 102는 플라즈마 챔버 바디 108을 포함하여 그 내부에 플라즈마 방전을 생성 및 유지시키도록 조절된다. 하나 이상의 구체예에서, 플라즈마 챔버 바디 108은 전기 전도성 재료 (예를 들어, 금속)로 형성되고 실질적으로 중공 직사각형 직육면체로 형성된다. 플라즈마 챔버 바디 108의 다른 형상 및 치수가 유사하게 고려된다 (예를 들어, 원통형).
플라즈마 챔버 바디 108은 이온화되는 공급 가스 112가 도입되는 하나 이상의 주입구 110를 포함한다. 전구체 가스 113은 플라즈마 챔버 바디와 기판 104 사이에 끼어든, 매니 폴드 116 등을 사용하여 분배될 수 있는 하나 이상의 가스 주입구 114를 통해 도입된다. 매니폴드 116 및 대응하는 전구체 가스 주입구 114는 플라즈마 챔버 바디 108에 부착되거나 다른 수단을 사용하여 위치할 수 있다. 공급 가스 이온, 전자 및 중성 종으로 구성된 플라즈마 이온 빔 (명시적으로 도시되지 않았지만 암시됨)은 전구체 가스와 상호 작용하고 플라즈마 화학 반응을 개시하여 기판 104의 상부 표면 상에 박막 코팅 118을 증착시킨다. 하나 이상의 구체예에서, 다수의 매니폴드 116 및 대응하는 전구체 가스 주입구 114가 채용되어(예를 들어, 플라즈마 챔버 바디 108의 대향면에) 거기에 더욱 균일한 코팅 118을 제공하거나, IBACVD 공정에 걸쳐 더욱 정밀한 제어를 가능하게 한다.
도 2는 본 발명의 구체예에 따른 도 1에 도시된 플라즈마 이온 소스 102를 구현하기에 적합한 예시적인 선형화된 RF 구동 플라즈마 이온 소스 200의 적어도 일부를 도시하는 등각도이다. 도 2를 참조하면, 도 1에 나타난 작동 위치로부터 반전된 플라즈마 이온 소스 200은 플라즈마 챔버 바디 202를 포함하여 여기에 플라즈마 방전을 생성시키고 유지시키도록 조절된다. 하나 이상의 구체예에서, 플라즈마 챔버 바디 202는 전도성 재료 (예를 들어, 금속)로 형성되고 중공 직사각형 직육면체로 형성된다. 플라즈마 챔버 바디 202의 다른 형상 및 치수가 유사하게 고려된다.
하나 이상의 구체예에서, 플라즈마 챔버 바디 202는 절연 진공 플랜지 204를 사용하여 플라즈마 이온 소스가 작동하는 진공 챔버(명시적으로 도시되지 않음)로부터 전기적으로 격리된다. 하나 이상의 구체예에서, 절연 진공 플랜지 204는 산화 알루미늄 또는 다른 강성 세라믹, ULTEM® (비정질 열가소성 폴리에테르이미드 (PEI) 재료, 중합체 재료, 유리 재료, 또는 기계 가공 가능하고 다른 특성들 중에서도, 높은 유전 강도(예를 들어, ULTEM®의 경우 약 1.0MHz에서 약 3.0, 산화 알루미늄의 경우 약 1.0 MHz에서 약 9.1), 낮은 RF 손실 계수 (예 : ULTEM®의 경우 1.0MHz에서 약 0.0015, 또는 알루미늄 산화물의 경우 1.0MHz에서 약 0.0007), 높은 기계적 강도 (예를 들어, ULTEM®의 경우 약 150 메가 파스칼 MPa 또는 산화 알루미늄의 경우 약 2,100MPa 초과의 압축 응력), 높은 서비스 가능한 온도 (예를 들어, 산화 알루미늄 또는 ULTEM®의 경우 약 1,700도 초과의 최대 사용 온도) 및 높은 전기 저항성 (예를 들어, 산화 알루미늄 또는 ULTEM®의 경우 약 1014 ohm-cm 초과의 부피 저항성)을 나타내는 임의의 다른 강성 재료로 구성된다. 하나 이상의 구체예에서, 진공 플랜지 204는 비정질 열가소성 폴리에테르이미드 물질을 포함한다. 폴리테트라플루오로에틸렌 및 산화 알루미늄과 같지만, 이에 제한되지 않는, 다양한 다른 재료가 진공 플랜지 204를 형성하는데 이용될 수있는 것으로 고려된다.
절연 진공 플랜지 204는 플라즈마 챔버 바디 202와 진공 챔버 정합 플랜지 206 사이에 끼어든다. 하나 이상의 구체예에서, 진공 챔버 정합 플랜지 206은 플라즈마 이온 소스 200을 진공 챔버와 결부 시키도록 구성되고 (명시적으로 도시되지 않음), 예를 들어 비-자성 스테인리스 스틸과 같은, 진공 호환 가능한 기계적 강성 및 비자성 금속으로 바람직하게 구성된다.
플라즈마 이온 소스 200은 그리드 추출 어셈블리 208를 더 포함한다. 하나 이상의 구체예에서, 그리드 추출 어셈블리 208은 바람직하게는 낮은 스퍼터 수율을 갖는 복수의 전기 전도성 로드 210으로 구성된다. 플라즈마 챔버 바디 202가 접지되는 본 발명의 구체예에서, 전도성 로드 210은 플라즈마 챔버 바디로부터 전기적으로 격리되어, 그리드 추출 어셈블리 및 플라즈마 챔버 바디 사이에 전압 전위차가 적용되어 여기에 이온 빔의 형태로 플라즈마 이온 소스 200으로부터 하전된 이온을 가속시킬 수 있다.
하나 이상의 구체예에서, 전도성 로드 210은 금속 재료(예를 들어, 흑연)로 구성된다. 전도성 로드 210은 바람직하게는 주기적 간격으로 그리드 추출 어셈블리 208의 개구를 따라 배치된다. 단지 예로서 제한없이, 전도성 로드 210의 각각의 기하학적 중심 사이의 간격은 약 3mm 내지 7mm 사이에서 변한다. 선택적으로, 하나 이상의 구체예에서, 그리드 추출 어셈블리 208은 예를 들어 진공 정합 플랜지 206 내에 통합되거나 진공 챔버 도어 내에 통합된 진공 밀봉 수냉 회로(명시적으로 도시되지 않았지만 암시됨) 또는 방열판 등으로 냉각시켜, 플라즈마 이온 소스 200의 작동 중에 그리드 추출 어셈블리 208에서 생성된 열을 제거한다.
도 3은 본 발명의 일 구체예에 따른, 박막 코팅의 증착에 사용되는 예시적인 플라즈마 이온 소스 300의 적어도 일부를 도시한 단면도이다. 작동 동안, 플라즈마 이온 소스 300은 일반적으로 진공 챔버 (명시적으로 도시되지 않았지만 암시됨) 상에 장착되거나 진공 챔버 내에 배치된다. 도 2에 도시된 플라즈마 이온 소스 200과 일치하는 방식으로, 플라즈마 이온 소스 300은 플라즈마 챔버 바디 302를 포함하여 그 내부에서 플라즈마 방전을 생성 및 유지하도록 조절된다. 플라즈마 챔버 바디 302는 바람직하게는 전도성 재료 (예를 들어, 금속)로 형성되고 중공 직사각형 직육면체 형상이지만, 본 발명의 구체예는 임의의 특정 형상 및/또는 치수에 제한되지 않는다. 하나 이상의 구체예에서, 플라즈마 챔버 바디 302는 고 전기적이고 열적 전도성인 금속, 바람직하게는 알루미늄으로 구성되는데, 이는 장치의 진공 챔버로서 역할을 수행한다. 하나 이상의 구체예에서, 플라즈마 챔버는 진공 등급 알루미늄으로 제조되고 진공 밀봉(예를 들어, 엘라스토머 O-링)을 갖는다. 따라서, 플라즈마 챔버 자체는 진공 챔버로서 기능한다.
하나 이상의 구체예에서, 하나 이상의 냉각 채널 304 또는 대안적인 열 제거 메커니즘 (예를 들어, 방열판)은 외부 표면 (즉, 대기 측) 상에 (예를 들어, 용접 또는 다른 체결 수단에 의해) 배치되고, 플라즈마 이온 소스 300과 열적으로 접촉하며 플라즈마 챔버 바디 302가 과열되는 것을 방지하도록 배열된다. 플라즈마 이온 소스 300의 과열은 진공 밀봉 구성 요소 (예를 들어, 엘라스토머 O-링)의 열적 열화를 초래할 수 있어 진공 무결성이 손실될 수 있다. 본 발명의 개시된 구체예에서, 물은 장치에 바람직한 냉각 유체이나, 다른 냉각 유체 (예를 들어, 클로로플루오로카본 (CFC) 냉매, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 암모니아 등)이 유사하게 채용될 수 있다.
하나 이상의 구체예에서, 소스 플랜지 306은, 플루오로중합체 엘라스토머 또는 통상의 기술자에게 공지된 대안적인 체결 수단과 같으나 이에 제한되지 않는, 예를 들어, 고온 O-링 밀봉을 사용하여 플라즈마 챔버 본체 302에 고정된다. 하나 이상의 구체예에서, 소스 플랜지 306은 플라즈마 챔버 바디 302로부터 제거 가능하여 플라즈마 이온 소스 구성 요소 (예를 들어, 유도 안테나 등)의 유지 및/또는 수리와 같은, 플라즈마 챔버 바디의 내부로의 접근을 가능하게 한다. 선택적으로, 냉각 채널 308은 소스 플랜지 306에 형성된다(예를 들어, 기계 가공). 냉각 채널 308은 냉각 채널을 통해 순환하는, 예를 들어 액체 (예를 들어, 물) 또는 가스(예를 들어, 공기)로 플라즈마 이온 소스 300으로부터 열을 제거하도록 조절된다. 소스 플랜지 306은 이온화되는 공급 가스가 플라즈마 챔버 바디 302의 내부로 유입되는 하나 이상의 주입구 310을 더 포함한다.
플라즈마 이온 소스 300은 RF 신호가 안테나에 적용될 때 전자기 에너지 소스를 플라즈마 챔버 바디 302의 내부에 공급하도록 배열된 유도 안테나 312를 더 포함한다. 안테나 312는 통상의 기술자에게 명백한 바와 같이, 브래킷 등과 같은 적합한 장착 하드웨어를 사용하여 플라즈마 챔버 본체 302 내에 매다는 것이 바람직하다. 안테나 312는 플라즈마 챔버 바디 302로부터 전기적으로 절연되는 것이 바람직하다. 하나 이상의 구체예에서, 안테나 312는 소스 플랜지 306 상에 배치되며, 이는 소스 플랜지가 제거될 때 안테나의 용이한 제거를 가능하게 한다. 유도 안테나 312의 형상은 바람직하게는 플라즈마 챔버 바디 302의 형상과 일치하며; 이는, 하나 이상의 예시적인 구체예에서 직사각형 직육면체이다. 그러나, 본 발명의 구체예는 안테나 312의 임의의 특정 형상 또는 치수로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다.
안테나 312는 바람직하게는 전도성 와이어 또는 튜빙의 복수의 와인딩 (즉, 턴) 314를 포함한다; 더 많은 와인딩이 안테나를 형성하기 위해 사용될수록, 유도 결합이 더 효율적이므로 플라즈마 챔버 바디 302의 내부로 운송되는 전자기 에너지는 더 커진다. 하나 이상의 구체예에서, 안테나 312는 수냉식이다. 예를 들어, 안테나 312의 와인딩 314는 냉각수 또는 다른 액체가 통과하여 안테나로부터 열을 운송함으로써 플라즈마 이온 소스의 하나 이상의 구성 요소들에 대한 열적 손상을 방지하는, 중공 구리 튜빙으로 형성될 수 있다 (예를 들어, 진공 밀봉 등). 이러한 방식으로, 안테나 312는 높은 RF 전력 레벨 (예를 들어, 약 1000 와트 초과)에서 작동하도록 조절된다.
RF 신호가 외부 RF 생성기 (명시적으로 도시되지 않음)로부터와 같이, 안테나 312에적용될 때, 플라즈마 챔버 바디 302에 유도 결합된 RF 에너지는 공급 가스를 이온화하고 고밀도 플라즈마 방전 316을 형성한다. 플라즈마 방전 316은 안테나 312의 와인딩 314 사이의 내부 공간 내에 주로 포함된다. 하나 이상의 구체예에서, 안테나 312는 중공 알루미늄 산화물 (알루미나) 튜빙 318 또는 대안적인 전기 절연체로 형성된 튜빙을 포함하며, 이는 구리 와인딩 314를 둘러싼다. 대안적인 구체예에서, 전도성 와인딩 314의 적어도 일부는 전기 절연 재료의 층으로 코팅된다. 전기 절연체인 산화 알루미늄 튜빙 318은 플라즈마 방전 316에 노출 된 구리 와인딩 314의 일부가 기판의 표면 (예를 들어, 도 1의 104) 상에 스퍼터링되는 것을 방지하는 역할을 한다. 보호 알루미늄 산화 튜빙 318이 없으면, 구리 와인딩 314는 플라즈마 방전 316 내의 이온에 의해 스퍼터링 될 것이고, 이는 플라즈마 챔버 바디 302 및 진공 챔버 (진공 적으로 도시되지 않음) 내로 진공 및 물 누출을 초래할 것이다.
안테나 와인딩 314의 일부는 플라즈마 챔버 바디 302의 외부에 배열되고 RF 생성기에 대한 전기적 연결 뿐만 아니라 냉각 액체 소스에 대한 연결 (명확성을 위해 명시적으로 도시되지 않음)을 제공한다. 예를 들어, 하나 이상의 구체예에서, 안테나 312의 구리 와인딩 314는 진공 피드스루 (명시적으로 도시되지 않았지만 암시됨)를 사용하여 플라즈마 챔버 바디 302 내에 배열된다. 진공 피드스루는 절연 재료 (예를 들어, 세라믹)로 형성되어 구리 와인딩 314가 바람직하게 전도성인 플라즈마 챔버 바디 302와 전기적으로 연결되지 않도록 한다. (따라서 안테나 312와 플라즈마 챔버 몸체 302 사이의 전기적 합선을 방지함)
계속하여 도 3을 참조하면, 하나 이상의 구체예에서, 선택적 냉각 채널 322를 갖는 진공 정합 플랜지 320은 플라즈마 챔버 바디 302 상에 배치되어(예를 들어, 용접되거나 고정된) 유전 진공 브레이크 324에 진공 정합 표면을 제공한다. 소스 플랜지 306 내에 형성된 냉각 채널 308의 형성과 일치하는 방식으로, 냉각 채널 322는 진공 정합 플랜지 320 내에 기계 가공되거나 또는 외부에 부착되거나, 예를 들어, 냉각 채널을 통해 액체 (예를 들어, 물) 또는 기체 (예를 들어, 공기)를 순환시킴과 같이, 플라즈마 이온 소스 300으로부터 열을 제거하도록 조절된다.
유전체 진공 브레이크 324는 폴리머, 세라믹, 유리 또는 다른 유전체 재료와 같으나 이에 제한되지 않는 전기 절연 재료, 바람직하게는 진공 밀착성, 기계 가공성 및 기계적으로 강성인 전기 절연 재료로 구성된다. 하나 이상의 구체예에서, 유전체 진공 브레이크 324는 고온 열가소성 재료를 포함한다. 하나 이상의 구체예에서, 유전체 진공 브레이크 324는 플라즈마 챔버 바디 302와 진공 챔버 도어 326 사이에 배치된다. 선택적으로, 진공 챔버 도어 326는 냉각 채널 328을 갖도록 형성된다. 각각, 소스 플랜지 306 및 진공 플랜지 320 내에 형성된 냉각 채널 308 및 322의 형성과 일치하는 방식으로, 진공 챔버 도어 326 내에 기계 가공되거나 외부에 부착될 수 있는 냉각 채널 328은 예를 들어, 냉각 채널을 통해 액체 (예를 들어, 물) 또는 가스 (예를 들어, 공기)를 순환시켜 진공 챔버로부터 열을 제거하도록 조절된다. 진공 챔버 도어 326을 채용하는 것의 하나의 이점은 플라즈마 이온 소스 300을 세정하고 진공 챔버 내의 픽스처 (명시적으로 도시되지 않음) 상에 기판 (예를 들어, 도 1에 도시 된 104)을 배치하기 위한 접근 용이성을 제공한다는 것이다.
도 3에 도시된 예시적인 구체예에서, 플라즈마 챔버 바디 302는 유전체 진공 브레이크 324를 사용하여 진공 챔버 도어 326 및 진공 챔버 (명시적으로 도시되지 않았지만 암시됨)로부터 전기적으로 격리된다. 플라즈마 챔버 바디 302를 진공 챔버 도어 326 및 진공 챔버(도시되지 않음)로부터 전기적으로 분리함으로써, 전기적으로 접지되고 (바람직하게는 지면에 접지), 플라즈마 챔버 바디 302는 기판 바이어스 또는 플라즈마 챔버 바디 302 내부에 배치된 내부 소스 전극 (도시되지 않음)을 제공할 필요 없이 규정된 전압 레벨로 바이어스 될 수 있다. 따라서, 플라즈마 챔버 바디 302 자체는, 외부 바이어스 전압 공급 (명시적으로 도시되지 않음)을 사용하여 직접 바이어스되어, 전술한 바와 같이 소스 전극으로서 역할을 수행한다. 진공 챔버로부터 플라즈마 챔버 바디 302를 전기적으로 격리시키기 위한 다른 메커니즘이 통상의 기술자에게 명백한 바와 같이 유사하게 고려된다.
플라즈마 이온 소스 300은 본원에서 패러데이 쉴드로 지칭되는, 정전기 쉴드 330의 배열을 포함하며, 이는 유도 안테나 312와 플라즈마 챔버 바디 302 사이에 배치되며, 안테나를 둘러싼다. 하나 이상의 구체예에서, 패러데이 쉴드 330는 그 안에 슬롯 또는 조리개를 갖도록 형성되고 직사각형 형상이거나, 그렇지 않으면 바람직하게는 플라즈마 챔버 바디 302의 형상과 일치한다. 패러데이 쉴드 330는, 적어도 부분적으로, 안테나 312의 와인딩 314 사이에서 생성하는 용량성 전압을 감소시키고 플라즈마 방전 316이 형성된 플라즈마 챔버 바디 302의 내부로 유도 장(field) 및 전압만이 유입되도록 기능한다. 또한, 패러데이 쉴드 330은 안테나 312와 플라즈마 방전 316 사이에 비교적 일정한 전기 임피던스를 제공하여, 플라즈마 챔버 바디 302 내부로 도입된 구동 (공급) 가스의 빠르고 반복적인 점화를 가능하게 한다. 패러데이 쉴드 330은 또한 물질 증착을 더 잘 제어하기 위해 이온 에너지를 감소시킨다. 하나 이상의 구체예에서, 유도 안테나 312, 플라즈마 챔버 바디 302 및 패러데이 쉴드 330은 플라즈마 이온 소스 300에 의해 생성된 준-중성 플라즈마 이온 빔을 형성하는데 사용되는 고밀도 플라즈마 방전 316을 생성 및 유지하도록 배열된 플라즈마 생성 유닛을 형성한다. 하나 이상의 구체예에서, 패러데이 쉴드 330은 전기 및 열적 전도성이 높은 금속 (예를 들어, 알루미늄 또는 구리)로 구성된다.
고밀도 플라즈마 방전 316은 유도 안테나 312에 의해 생성되고 안테나에 대해 상대적으로 근접하게 존재한다. 잔광 플라즈마 332는 유도 안테나 312와 추출 그리드 334 사이에 배치된다. 잔광 플라즈마 332는 유도 안테나 312에 의해 생성된 고밀도 플라즈마 방전 316으로부터의 더 낮은 농도의 전자 및 이온으로 구성된다. 하나 이상의 구체예에서, 추출 그리드 334는 준-중성 플라즈마 빔의 추출을 가능하게 하도록 배열된 조리개 또는 개구 (예를 들어, 구멍, 슬릿 등)를 갖는 전도성 재료의 단일 그리드 또는 메쉬를 포함한다. 예를 들어 텅스텐, 몰리브덴, 흑연, 티타늄 및 이들의 합금을 포함하는, 다양한 전도성 (예를 들어, 금속성) 재료가 본 발명의 구체예에 의해 고려된다. 다수의 추출 그리드와 대조적으로, 단일 추출 그리드 334의 사용은 통상적으로 요구되는 바와 같이, 유리하게는 추출 그리드 서로의 정확한 배열에 대한 필요성을 제거한다.
바람직한 구체예에서, 추출 그리드 334는 도 2에 나타낸 그리드 추출 어셈블리 208과 일치하는 방식으로 형성된다. 구체적으로, 하나 이상의 구체예에서, 추출 그리드 334는 바람직하게는 낮은 스퍼터 수율을 갖는 복수의 전기 전도성 로드 (예를 들어, 도 2의 210)를 포함한다. 추출 그리드 334와 플라즈마 챔버 바디 302 사이에 인가된 전압 전위차는, 적어도 부분적으로, 이온 빔 336의 형태의 플라즈마 이온 소스 200의 외부에 하전된 이온의 가속을 제어한다. 하나 이상의 구체예에서, 추출 그리드 334를 형성하는 전도성 로드는 예를 들어 흑연과 같은 금속 재료로 구성된다. 도 2와 관련하여 설명된 바와 같이, 전도성 로드는 바람직하게는 약 3 mm 내지 7 mm의 인접한 로드의 기하학적 중심 사이의 간격을 갖는 것과 같이, 주기적 간격으로 추출 그리드 334의 개구를 따라 배치된다. 그러나, 본 발명의 구체예는 임의의 특정 전도성 재료 또는 추출 그리드 334의 배열로 제한되지 않는다는 것을 이해해야한다.
추출 그리드 334는 그리드 어셈블리 338에 의해 제자리에 고정된다. 하나 이상의 구체예에서, 그리드 어셈블리 338은 프레임의 내부에 배치된 추출 그리드 334를 갖는 "픽처 프레임"으로 배열되며, 표준 부착 수단을 사용하는 것과 같이, 진공 챔버 도어 326 상에 부착된다. 잔광 플라즈마 332 내에 포함된 이온 및 전자는 진공 챔버 (도시되지 않음)에 전기적으로 연결되고 접지된(바람직하게는 지면에 접지) 추출 그리드 334를 통해 가속된다. 전술한 바와 같이, "바이어싱된" 플라즈마 챔버 바디 302와 전기적으로 접지된 추출 그리드 334 사이에 규정된 전압 전위차로 이온과 전자가 바이어스되어, IBACVD 응용에 사용하기 위한 플라즈마 이온 소스 300의 출력으로서 준-중성 플라즈마 이온 빔 336을 생성한다.
앞서 설명한 바와 같이, 플라즈마 챔버 바디 302는 진공 챔버로부터 전기적으로 격리되며, 진공 챔버는 전기적으로 접지되고, 바람직하게는 지면 접지 전위로 접지된다. 플라즈마 챔버 바디 302의 내부는 추출 그리드 334의 표면적에 비해 상대적으로 더 큰 표면적을 갖도록 배열되며, 이는 진공 챔버 바디에 대한 기계적 부착을 통해 전기적으로 접지된다. 하나 이상의 구체예에서, 플라즈마 챔버 바디 302의 내부 표면적의 표면적 비는 추출 그리드 334의 표면적의 약 1.5 내지 5 배, 바람직하게는 적어도 3 내지 5 배이다. 이 표면적 비가 충족 될 때, RF 전압이 이에 적용될 때 양의 극성 자가-바이어스(positive polarity self-bias)가 플라즈마 챔버 바디 302 상에 발생한다.
본원에서 더 상세히 설명될 바와 같이, 하나 이상의 구체예에서, 유도 안테나 312에적용된 RF 전압의 일부는 바람직하게는 약 5-1000 pF의 범위의 커패시턴스를 갖는 가변 커패시터를 통해 플라즈마 챔버 바디 302에 용량성으로 결합된다. 이러한 배열은 플라즈마 챔버 바디 302에 RF 전압을 적용하는 비용-효율적인 방법을 제공하여 단일 RF 전력 공급 장치 또는 생성기를 갖는 접지된 추출 그리드 334에 대해 상대적으로 플라즈마 전위의 선택적 제어를 제공한다. 양의 극성 자가-바이어스는 플라즈마 챔버 바디 302의 내부 표면을 스퍼터링하여 RF 유도 방전 316에 의해 생성된 양이온을 유리하게 반발시킨다. 또한, 유도 방전 316의 전자는 일반적으로 플라즈마 챔버 바디 302를 향해 가속된다; 그러나, 이들 전자의 일부는 플라즈마 챔버 바디 302에서 추출 그리드 334로 가속된다.
본 발명의 양태에 따르면, 그리드 334를 향해 가속된 전자의 충분한 분율이 추출 그리드 어셈블리의 전체 길이를 따라 추출된 양이온에 의해 생성된 양의 공간 전하를 보상 또는 중화시키기 위해 추출된다. 따라서, 고-전류 밀도, 준-중성, 선형 및 대면적 이온 빔이 플라즈마 이온 소스 300의 출력으로서 생성된다. 본 발명의 양태는 균형 잡힌 전하 밀도의 양이온 및 전자의 동시적이고 수반적인 추출을 제공하여 접지 표면, 픽스처 및 기판 상의 공간 전하 관련 아킹(arching)을 방지한다.
통상적으로, 점-전자 중화제 (예를 들어, 열이온성 필라멘트, 중공 음극 또는 플라즈마 다리 중화제)는 공간 전하를 중화시키기 위해 요구되며, 점-전자 중화제는 전형적으로 플라즈마 또는 이온 소스에 인접하여 배치된다. 이 방법은 소면적 기판에 충분할 수 있지만, 대면적 기판에 걸쳐 이러한 종래의 방법을 사용하여 균일한 공간 전하 중화를 달성하는 것이 어려웠다. 따라서, 생성된 이온 빔은 바람직하지 않게 불균일한 이온 전류 밀도를 나타낼 수 있으며, 이는 기판에 걸쳐 불균일한 표면 처리 및 열악한 필름 품질을 초래할 수 있다. 또한, 기판, 진공 하드웨어 및 플라즈마 이온 소스를 손상시킬 수있는 국지화된 공간 전하 아킹이 발생할 수있다.
도 4는 본 발명의 일 구체예에 따라, 향상된 열 관리를 갖는 예시적인 플라즈마 이온 소스 400의 적어도 일부를 도시하는 단면도이다. 구체적으로, 플라즈마 이온 소스 400은 플라즈마 챔버 바디의 하나 이상의 각 측벽 내에 통합된 하나 이상의 냉각 채널 404를 포함하는 플라즈마 챔버 바디 402를 포함한다. 냉각 채널 404는 예를 들어 냉각 채널을 통해 액체 (예를 들어, 물) 또는 가스 (예를 들어, 공기)를 순환시킴으로써 플라즈마 이온 소스 400으로부터 열을 제거하도록 조절된다. 냉각 채널을 플라즈마 챔버 바디 402 내에 통합하는 것은 플라즈마 챔버 바디 상의 외부에 배치된 냉각 채널에 대한 필요성을 제거한다 (예를 들어, 도 3의 304). 플라즈마 챔버 바디 402와 일체로 형성된 냉각 채널 404를 갖는 것은 플라즈마 이온 소스 400이 도 3에 도시 된 배열과 비교하여 우수한 열 관리 및 냉각 효율을 달성할 수 있게한다. 하나 이상의 구체예에서, 통상의 기술자에게 공지될 바와 같이, 다른 냉각 유체가 유사하게 고려되지만, 냉각 채널 404에 의해 전달되는 냉각 유체로서 물이 채용된다.
플라즈마 이온 소스 400은 추출 그리드 406을 더 포함하고, 이는 도 3에 나타난 추출 그리드 334와 일치하는 방식으로 형성될 수 있다. 추출 그리드 406의 열 냉각을 개선하기 위해, 추출 그리드 어셈블리 408은, 도 3과 관련하여 설명된 그리드 어셈블리 338과 일치하는 방식으로 형성될 수 있으며, 냉각 채널 322가 통합된 플라즈마 챔버 진공 정합 플랜지 320과 진공 챔버, 바람직하게는 통합된 냉각 채널 328을 갖는 진공 챔버 도어 326 사이에 배치되어 장치의 유지를 가능하게 한다.
플라즈마 이온 소스 400에서, 추출 그리드 406으로부터의 열의 열전도는, 추출 그리드 어셈블리 408의 변형된 배열로 적어도 부분적으로 인해, 도 3에 도시된 예시적인 플라즈마 이온 소스 300과 비교하여 개선된다. 구체적으로, 그리드 어셈블리 408은 2개의 냉각된 요소 사이에 배치되며; 즉, 진공 정합 플랜지 320 및 진공 챔버 도어 326은 각각 통합된 냉각 채널 322 및 328을 갖는다. 도 3에 도시된 플라즈마 이온 소스 300과 같이, 도 4에 도시된 플라즈마 이온 소스 400은 진공 챔버 도어 326 및 진공 챔버로부터 플라즈마 챔버 바디 402를 전기적으로 분리하기 위해 진공 정합 플랜지 320과 그리드 어셈블리 408 사이에 배치된 유전체 진공 브레이크 324를 포함한다 (명시적으로 도시되지 않았지만 암시됨).
추출 그리드 (예를 들어, 도 4의 406 및 도 3의 334)는 플라즈마 이온 빔 (예를 들어, 도 3의 336)의 추출 동안 저항적으로 가열된다. 추출 그리드 406, 334의 가열은 열적 열화 및 기계적 뒤틀림을 초래할 수 있으며, 이는 플라즈마 이온 소스의 서비스 가능 수명을 감소시킬 수 있다. 따라서, 추출 그리드 406의 개선된 냉각은 유리하게도 플라즈마 이온 소스 400이 증가된 RF 전력 수준으로 작동하여 다른 중요한 이점들 중에서도, 더 높은 코팅 증착 속도를 달성할 수 있게 한다. 본 발명의 하나 이상의 구체예에서 그리드 어셈블리 408 내에 진공 밀봉이 제공된다. 개시된 구체예의 이점은 그리드 어셈블리 408 및 추출 그리드 406을 포함하는 플라즈마 이온 소스 400은 통합 어셈블리로서 진공 챔버 도어 326에 쉽게 장착될 수 있게 한다.
도 5는 본 발명의 구체예에 따른, 자기 향상을 갖는 예시적인 플라즈마 이온 소스 500의 적어도 일부를 도시하는 단면도이다. 플라즈마 이온 소스 500은 도 4에 도시된 예시적인 플라즈마 이온 소스 400과 일치하는 방식으로 배열되나, 플라즈마 이온 소스 500이 증착 프로세스에 걸쳐 우수한 제어를 달성할 수 있게하는 자기 향상 특징을 포함하므로, 플라즈마 이온 소스 400에 대한 개선을 나타낸다. 구체적으로, 플라즈마 이온 소스 500은, 하나 이상의 구체 예에서, 플라즈마 챔버 바디 402의 주위에 배치된 전자석 502를 포함하여 플라즈마 이온 소스 500의 내부에서 자기장을 생성한다. 자기장 라인 504는 플라즈마 챔버 바디 402 밖으로 연장되어 추출 그리드 406를 통해 빠져나간다; 자기장 506의 엔벨로프도 도시되어 있다. 다른 구체예에서, 영구 자석 어레이 또는 전자석 및/또는 영구 자석의 조합이 사용될 수 있다.
전자석/영구 자석 어레이 502에 의해 생성된 자기장은 유도 안테나 312에 의해 생성된 플라즈마 방전 316의 플라즈마 밀도의 증가를 제공한다. 플라즈마 방전 316 내에 생성 된 전자는 자기장 라인 504를 가로질러 갈 수 없으며, 대신에 전자는 자기장 라인 504의 주위에서 및 이를 따라 회전한다. 전자는 플라즈마 방전 316에서 잔광 플라즈마 332까지 자기장 라인 504을 따라 사이클로이드 궤도로 이동한 후, 추출 그리드 406을 통과하여 플라즈마 이온 소스 500에 의해 생성된 플라즈마 이온 빔 338을 형성한다. 전자의 사이클로이드 운동의 하나의 결과는 전자에 대해 더 긴 경로 길이를 갖는다는 것인데 이는 하나 이상의 공급 가스 주입구 310을 통해 플라즈마 챔버 바디 402 내에 주입된 공급 가스와 상호 작용하기 위함이다. 전자를 위한 더 긴 경로 길이는 전자가 공급 가스 분자와 충돌하고 이온화 및/또는 여기시킬 증가된 가능성을 제공한다. 이러한 충돌은 유도 플라즈마 방전 316, 잔광 플라즈마 332 및 플라즈마 이온 빔 338에서 더 높은 플라즈마 밀도를 초래한다. 따라서, 플라즈마 이온 소스 500은 본 발명의 이전에 개시된 구체예와 비교하여 더 낮은 RF 전력 수준을 사용하여 더 높은 이온 전류 밀도를 생성하도록 유리하게 조절된다. 더 높은 이온 전류 밀도는 더 높은 증착 속도를 제공할 수 있다. RF 전력 소비 감소 외에도, 자기 향상을 갖는 플라즈마 이온 소스 500은 다른 이점들 중에서도 감소된 바이어스 전력, 감소된 공급 가스 및 전구체 가스 소비를 달성할 수 있다.
이제 도 6을 참조하면. 블록도는 본 발명의 구체예에 따라 선형화된 RF 구동 플라즈마 이온 소스 602를 포함하는 예시적인 인라인 코터 또는 박스 코터 시스템 600의 적어도 일부를 개념적으로 도시한다. 플라즈마 이온 소스 602는 도 3, 4 또는 5에 도시된 임의의 예시적인 플라즈마 이온 소스 300, 400 또는 500과 일치하는 방식으로 형성될 수 있다. 플라즈마 이온 소스 602는 유전체 진공 브레이크 정합 플랜지 608 또는 대안적인 격리 수단을 이용하여 진공 챔버 606으로부터 전기적으로 격리된 플라즈마 챔버 바디 604를 포함한다. 하나 이상의 구체예에서, 유전체 진공 브레이크 정합 플랜지 608은 폴리머, 세라믹, 유리 또는 다른 유전체 재료와 같은, 바람직하게는 진공이고 타이트하고, 기계 가공가능하고 기계적으로 강성인 전기 절연 재료로 구성되며, 하나 이상의 구체예에서, 유전체 진공 브레이크 정합 플랜지 608은 고온 열가소성 재료를 포함한다. 유전체 진공 브레이크 정합 플랜지 608은 도 3 및 도 4에 도시된 유전체 진공 브레이크 324와 일치하는 방식으로 형성될 수 있다.
플라즈마 이온 소스 602는 RF 신호가 안테나에 적용될 때 플라즈마 챔버 바디 604의 내부에 전자기 에너지의 소스를 공급하도록 배열된 유도 안테나 610을 더 포함한다. 안테나 610은 바람직하게는 적절한 장착 수단을 사용하여 플라즈마 챔버 바디 604 내에 매달려 있고 도 3과 관련하여 설명된 유도 안테나 312와 일치하는 방식으로 형성된다. 구체적으로, 안테나 610은 전도성 와이어 또는 튜빙의 복수의 와인딩 (즉, 턴)을 포함하는 것이 바람직하다. 하나 이상의 구체예에서, 유도 안테나 610의 와인딩은 냉각된 액체 (예를 들어, 물)가 통과하여 안테나로부터 열을 전달하는 중공 구리 튜빙으로 형성된다. 하나 이상의 구체예에서, 유도 안테나 610은 플라즈마 챔버 바디 604로부터 전기적으로 격리된다.
하나 이상의 구체예에서, 유도 안테나 610으로부터의 구리 튜빙 리드 612는 고온 플루오로폴리머 O-링 (명시적으로 도시되지 않았지만 암시됨)등을 갖는 대응하는 진공 봉인 614을 이용하여 플라즈마 챔버 바디 604를 통해 연장된다. 냉각 액체 연결은 절연성 폴리머 튜빙 (명시적으로 도시되지 않지만 암시됨)을 사용하여 안테나 튜빙 리드 612에 이루어지는데 이는 유도 안테나 610으로부터 플라즈마 챔버 바디 604의 전기적 격리를 유지하기 위함이다. 안테나 튜빙 리드 612 및 외부 RF 생성기 618 사이의 전기적 연결 616은, 예를 들어 구리 스트랩, 동축 케이블 또는 다른 연결 수단으로 구성된다. 매칭 네트워크 (명시적으로 도시되지 않음)는 RF 생성기 618과 선택적으로 결부되며, RF 생성기로부터 유도 안테나 610으로의 RF 전력의 전달 및 플라즈마 챔버 바디 604 내에서 생성된 플라즈마 방전을 개선하도록 배열된 용량성 요소로 구성된다.
하나 이상의 구체예에서, RF 생성기 618에 의해 안테나 610에 전달된 전력의 일부는 플라즈마 이온 소스 602를 바이어싱하기 위해 사용(예를 들어, 탭핑)된다. 이 구체예에서, 플라즈마 이온 소스 602는 플라즈마 챔버 바디 604에 바이어스 전압을 직접적으로 적용하여 바이어스된다. 이를 달성하기 위해, RF 전압 분배기 620은 RF 전압 분배기 및 플라즈마 챔버 바디 사이에 결합된 바이어스 혼합기 622를 통해 RF 생성기 618 및 플라즈마 챔버 바디 604 사이에 연결되는 것이 바람직하다. RF 전압 분배기 620은 차폐 동축 연결 624 또는 유사한 연결 장치를 사용하여 RF 생성기 618에 전기적으로 연결되는 것이 바람직하며, RF 전압 분배기 620은 차폐 동축 케이블 626 또는 대안적인 연결 장치를 사용하여 바이어스 혼합기 622에 전기적으로 연결되며, 바이어스 혼합기 622는 바람직하게는 차폐 동축 케이블 628 등을 사용하여 플라즈마 챔버 바디 604에 전기적으로 연결된다. 본 발명의 구체예는 다양한 RF 구성 요소 사이의 비-차폐 연결 (예를 들어, 구리 스트랩)의 사용을 고려하지만, 비 차폐 연결로부터 발생하는 RF 방사선에 의해 야기되는 전자기 간섭을 감소시키기 위해 차폐 연결을 사용하는 것이 바람직하다. 하나 이상의 구체예에서, RF 전압 분배기 620은 고전압 용량성 요소를 포함하며, 바람직하게는 약 3 내지 5 kV의 전압 범위에서 작동하며, 여기서 용량은 약 10 내지 1000 pF로 가변적이다. 관련 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 바와 같이, 대안적인 전압 분배기 구조가 유사하게 고려된다.
하나 이상의 구체예에서, 바이어스 혼합기 622는, 바이어스 혼합기와 결부된 바이어스 전력 공급기 630에 의해 전달된 바이어스 전압을 갖는 RF 전압 분배기 620으로부터 출력된 RF 전압의 일부를 결합하도록 배열된 필터링 및 감쇠 저-인덕턴스 RF 회로를 포함한다. 바이어스 전력 공급기 630은 차폐된 동축 케이블 632, 또는 대안적인 연결 장치를 사용하여 바이어스 혼합기 622에 전기적으로 연결된다. 바이어스 혼합기 622로부터 출력된 혼합 바이어스 전압은 유도 안테나 610에 의해 생성되는 공급 가스 플라즈마 방전으로부터의 이온 및 전자의 가속을 제공한다. 공급 가스는 가스 매니폴드 634 또는 배열 (예를 들어, 하나 이상의 가스 유입구)을 통해 플라즈마 챔버 바디 604 내로 도입된다. 본 발명의 구체예는 임의의 특정 바이어스 전압으로 제한되지 않음이 이해되어야 하지만, 하나 이상의 구체예에서, 바이어스 전압은 0 내지 600 V로 조정될 수 있다. 바이어스 전력 공급기 630에 의해 생성된 전압 신호는, 하나 이상의 구체예에서, 일정한 DC 전압, 또는 펄스 DC 신호로 본원에서 앞서 설명된 가변 DC 전압을 포함할 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 양태에 따르면, 생성된 플라즈마 이온 빔의 이온 플럭스 (즉, 이온 전류 밀도) 및 이온 에너지는 명확하고 독립적으로 제어된다. 예를 들어, 이온 플럭스는 전압 분배기 620에 의해 유도 안테나 610으로부터 결합된 RF 전압에 주로 의존하는 반면, 이온 에너지는 바이어스 전력 공급기 630에 의해 생성된 바이어스 전압에 주로 의존한다. 이들 두 전압 성분은 바이어스 혼합기 622를 사용하여 고유하게 결합되고 플라즈마 챔버 바디 604에 공급된다.
플라즈마 이온 소스 602에 의해 생성된 준-중성 이온 빔 636은 유도 안테나 610에 의해 생성된 공급 가스 플라즈마 방전으로부터의 활성 양이온, 여기된 중성 가스 입자 및 전자로 구성된다. 양이온은, 밀집 박막으로 코팅된 플라즈마 이온 소스 600 및 기판 640 사이의 영역 내로, 추출 그리도 어셈블리 638에 의해 가속되는데, 이는 바람직하게는 도 3에 도시된 추출 그리드 334 또는 도 4 및 5에 도시된 406과 일치하는 방식으로 형성된다. 하나 이상의 구체예에서, 플라즈마 이온 빔 636은 코팅될 기판 640 표면에 인접 및 전면에 배치된 분리된 전구체 가스 매니폴드 644를 통해 도입된 전구체 가스 642와 상호 작용한다. 플라즈마 이온 빔 636은 전구체 가스 642 내에서 비열 플라즈마 화학 반응을 개시하고 구동하여 기판 640 표면 상에 박막 코팅을 형성한다.
본 발명의 하나 이상의 양태에서, 표준 플라즈마 이온 소스에 대한 하나의 개선은, 기판 640에 대한 추가적인 바이어스 전압 적용의 필요성 없이, 예를 들어 다이아몬드형 탄소 (DLC) 및 다이아몬드형 나노 복합체 (DLN)와 같은, 치밀한 고체 박막 재료를 증착시키는 능력이다. 대면적 기판에 대한 본 발명의 구체예의 적용은 많은 이점과 응용을 가지며, 이는 본원의 교시를 고려하여 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 발명의 양태에 따른 IBACVD 방법은 보충 가열이 필요 없이 유리하게 수행되기 때문에, 용융 온도가 낮은 중합체를 포함하여 다양한 기판 재료가 사용될 수 있다.
본 발명의 양태에 따라 형성된 플라즈마 이온 소스는 많은 이점 및 응용을 갖는다. 예를 들어, 본 발명의 구체예에 따른 플라즈마 이온 소스로부터 나오는 플라즈마 이온 빔은 추출 그리드 (예를 들어, 도 6의 638)의 길이를 따라 자체 중화되며, 분리된 소스(예를 들어, 열이온성 필라멘트, 중공 음극 또는 플라즈마 브리지 중화제)로부터 전자 중화의 필요성을 제거한다. RF-구동 유도 방전의 사용으로 인해, 높은 이온 밀도 (예를 들어, 약 1011 cm-3 초과)를 갖는 고밀도 플라즈마가 플라즈마 이온 소스의 길이에 걸쳐 균일한 경향이 있도록 생성된다. 이러한 특성은 증착의 증착의 균일성, 표면 처리 또는 기타 용도가 요구되는 모든 응용 분야에 중요하다. 0.5 미터 이상의 기판 폭은 균일하게 코팅되거나 처리될 수 있다.
작동 동안, 이온 전류 밀도 및 이온 에너지는 기판의 폭에 걸쳐 균일하고, 전술한 바와 같이 상대적으로 서로에 대해 독립적으로 제어될 수 있다. 따라서, 본 발명의 구체예에 따른 플라즈마 이온 소스는 유리하게 넓은 프로세스 윈도우를 나타내는 경향이 있다. 플라즈마 이온 소스는 바람직하게는 약 5 mTorr 내지 30 mTorr이나 이제 제한되지 않는, 넓은 공정 압력 윈도우에 걸쳐 작동한다. 이러한 압력 범위는 복수의 공정을 갖는 생산 인라인, 배치 및 웹 코팅 진공 시스템을 갖는 독창적인 플라즈마 이온 소스의 통합을 가능하게 하는 소스를 스퍼터링하는 것과 유사하다.
DLC 또는 DLN과 같은 전기 절연 IBACVD 막의 연속 증착은 시간에 따른 플라즈마 이온 소스의 공정 드리프트, 작동 불안정성, 아킹 또는 차단을 유발할 수 있다. 본 발명의 양태에 따르면, 추출 그리드 어셈블리 (예를 들어, 도 4 및 도 5의 406)는 전구체 가스 분자에 제한적인 컨덕턴스를 제공함으로써 플라즈마 이온 소스 내로 절연막을 증착하는 응축성 전구체의 흐름을 감소시킨다. 추가로, 플라즈마 이온 소스에 적용된 RF 바이어스는, 적어도 부분적으로, 플라즈마 이온 소스 내부의 절연막의 증착으로 인해 플라즈마 이온 소스의 작동에서 불리한 변화를 제어하기 위해 증착 동안 변화될 수 있다. 이러한 제어 기능은 플라즈마 이온 소스의 반복가능하고 일관된 작동을 유지하고 예정되고 예정되지 않은 유지 보수 활동을 확장하기 위한 유익한 방법을 제공한다. 기판 바이어싱에 대한 요구없이 우수한 광학 성능, 기계적 견고성 및 환경 내구성을 갖는 고밀도 고체 유전체 막을 제공하는 IBACVD 공정의 촉진을 위해 이온 에너지를 독립적으로 제어하는 유익하고 유용한 능력은, 예를 들어 다른 유용한 응용 분야 중에서도, 터치 스크린 디스플레이를 갖는 장치 내에 채용된 커버 유리를 위한 경질 반사 방지 필름과 같은, 다양한 산업적 응용의 대량 제조에 유리하다.
실시예 1
단지 예로서 및 제한 없이, 도 3에 도시된 예시적인 플라즈마 이온 소스 300을 사용하여 유리 기판의 상부 표면 상에 형성되는 DLC 코팅은 이하 추가로 상세하게 설명한다. 이러한 예에서, 플라즈마 이온 소스 300은 총 길이가 약 635 mm이고 폭이 약 178 mm이고; 추출 그리드 334 및 유리 기판의 상부 표면 사이의 거리가 약 172 mm로 고정된 것으로 가정하였다. 아르곤 공급 가스를 세라믹 다중-보어 산화 알루미늄 공급 튜브 310을 통해 약 80 표준 입방 센티미터/분의 속도로 플라즈마 이온 소스 300에 공급하였다(seem). 전구체 가스를 길이가 약 431 mm이고 폭이 약 305 mm인 고정 비-자성 스테인레스 스틸 기판 홀더에 인접하여 배치된 약 483 mm의 길이를 갖는 전구체 가스 공급 튜브를 통해 진공 챔버에 공급하였다. 전구체 가스 공급 튜브는 기판 홀더의 상부 표면 전면의 약 83 mm의 거리에 배열되고 플라즈마 이온 소스 300의 추출 그리드 334 전면의 약 171 mm의 거리에 배치되고; 전구체 가스는 100% 부탄이었다.
플라즈마 이온 소스의 추출 그리드는 직경이 약 3 mm이고 길이가 약 228 mm인 흑연 막대 (예를 들어, 도 2의 210)으로 구성되고; 추출 그리드 어레이는 전체 길이가 약 506 mm이다. DLC 코팅이 형성된 기판은 광학 보로실리케이트 크라운 유리 (BK-7 유리)로 구성된 현미경 슬라이드였다. 폴리이미드 테이프로 기판을 기판 홀더에 고정시켰다. 기판 홀더를 전기적으로 접지하였다. 사용된 RF 생성기 (예를 들어, 도 6의 618)는 Fort Collins 사의 Advanced Energy (Advanced Energy Litmas® RPS 1501)에 의해 제조된 원격 플라즈마 소스 (remote plasma source, RPS) 2 MHz RF 생성기였다. 사용된 바이어스 전력 (예를 들어, 도 6의 630)은 Advanced Energy (Advanced Energy Pinnacle Plus +)에 의해 제조 된 펄스 DC 전력 공급기였는데, 이는 양의 극성 출력을 갖도록 배열하였고 약 5-350 kHz의 출력 주파수 범위를 가졌다. 예시적인 코팅 공정의 결과를 하기 표 1에 도시하였다.
[표 1]
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상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, DLC의 박막 코팅을 고정 유리 기판 상에 60 분 동안 증착하여 2,896 옹스트롬 두께의 DLC 박막을 제조하였다. 상부 표면에 새 면도날을 통과시키고 광학 현미경으로 표면을 검사하여 DLC 박막의 내 스크래치성을 정성적으로 평가 하였다. 검사 중에 필름 표면에 스크래치가 나타나지 않았다. 또한, 유리 기판 표면에 마스킹 테이프를 적용하고, 마스킹 테이프를 빼내고, 광학 현미경으로 검사함으로써 DLC 박막의 밀착성을 정성적으로 평가했다. 마스킹 테이프가 적용된 표면을 검사할 때 필름이 제거되지 않았다.
이러한 예시적인 구체예가 위에서 언급된 특정 작동 파라미터 및 세부 사항을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 구체예는 제시된 특정 파라미터 및 세부 사항으로 제한되지 않으나, 본원의 교시가 주어진 통상의 기술자에게 명백해질 수 있는 다양한 변경 및 수정을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예 2
도 7은 본 발명의 예시적인 구체예에 따른, 도 6에 도시된 예시적인 플라즈마 이온 소스 602로부터 추출된 이온 전류 밀도에 대한 바이어스 전압 및 바이어스 전압의 펄스 주파수의 영향을 도시하는 그래프 700이다. 도 7에 도시된 그래프 700에 의해 표현된 결과는 대략 4 인치의 거리에서 기판 (도 6의 640) 전방의 추출 그리드 어셈블리 (도 6의 638)의 하류에 배치된 패러데이 컵 프로브를 사용하여 획득하였다. 패러데이 컵은 플라즈마 이온 소스 (도 6의 602)로부터 추출된 이온 전류 밀도(μA/cm2)를 측정한다. 측정된 이온 전류 밀도를 도 7의 그래프 700 내에 도시된 바와 같이, 바이어스 전력 공급기의, 다수의 상이한 펄스 주파수(KHz), 즉 300 KHz, 200 KHz, 100 KHz, 50 KHz and 0 KHz (즉, DC)를 위한 바이어스 전압 수준 (볼트)에 대해 플롯팅하였다. 이러한 예시에서, 플라즈마 이온 소스 602는 공급 가스로서 아르곤으로 작동되었는데, 이는 가스 공급 튜브 634 (도 6)를 통해 전달되었다. RF 생성기 618 (예를 들어, Advanced Energy Litmas® RPS 1501)은 1,000 와트를 유도 안테나 610에 전달 하였다 (도 6). 패러데이 컵 전극에 의해 수집된 이온 전류 밀도를 진공 챔버의 외부에 배치된 전류계로 기록하다.
도 7에 도시된 예시적인 결과는 이온 전류 밀도가 바이어스 전압의 적용에 의해 변할 수 있고 약 0KHz (즉, DC) 내지 300KHz의 주파수 범위에 걸쳐, 약 100 볼트 내지 300 볼트 범위 내에서 다소 선형임을 도시한다. 통상의 기술자에게 있어서, 이러한 발견은 기판 상의 2 차 바이어싱을 요구하지 않고 필름 특성을 맞추기 위해 본 발명의 구체예에 따라 플라즈마 이온 소스에 의해 생성된 이온 에너지를 조절하는 능력을 입증한다.
실시예 3
도 8은 본 발명의 예시적인 구체예에 따라서, 도 6에 도시된 예시적인 플라즈마 이온 소스 602로부터의 이온 에너지에 대한 바이어스 전압의 영향을 도시한 그래프 800이다. 도 8에 도시된 그래프 800에 의해 나타낸 이온 에너지 분포 (dI/dE) 결과는 기판(도 6의 640) 전면의 추출 그리드 어셈블리(도 6의 638)의 하류에 배치된, 예를 들어 Impedans Ltd. of Dublin, Ireland에 의해 제조된, 지연 장 에너지 분석기를 사용하여 이온 에너지(eV)를 측정하여 얻었다. 플라즈마 이온 소스 602 (도 6)는 유도 안테나 610에 적용된 500 와트의 RF 전력으로 15 mTorr의 동작 압력에서 80 seem의 아르곤 공급 가스 유량으로 작동하였다 (도 6).
플라즈마 챔버 바디 604에 바이어스 전압이 적용되지 않은 경우 약 45 eV의 평균 이온 에너지가 측정되었고 (도 6) , 이온 에너지 분포는 도 8에 도시된 바와 같이 파형 802로 나타낸다. 바이어스 전력 공급기 630 (도 6)으로부터 100 볼트의 바이어스 전압을 적용한 후, RFEA에 의해 측정된 평균 이온 에너지는, 도 8에 도시된 이온 에너지 분포 파형 804에 지시된 바와 같이, 약 153 eV였다. 바이어스 전력 공급기 630 (도 6)은 150 볼트의 바이어스 전압으로 증가하였고 평균 이온 에너지는 도 8에 나타난 이온 에너지 분포 파형 806으로 나타난 바와 같이, 약 216 eV인 것으로 측정하였다.
도 8에 도시된 정보는 본 공보에 설명된 방법에 의해 이온 에너지를 선택적으로 제어하기 위한 본 발명의 능력을 입증한다. 구체적으로, 바이어스 전압을 적용하지 않고 (도 8에서 "바이어스 없음"으로 표시됨), 평균 이온 에너지를 이온 에너지 분포 파형 802에 도시된 바와 같이, 약 45 eV인 것으로 측정하였다. 100 V의 바이어스 전압의 적용에서, 이온 에너지 파형 804에 도시한 바와 같이, 평균 이온 에너지는 약 45 eV 내지 153 eV로 증가한다. 100 V 바이어스의 평균 이온 에너지와 바이어스 없음 (0V)의 총 차이는 약 108 eV이며, 이는 적용된 바이어스 전압 100 V와 본질적으로 동일하다. 150 V 바이어스 전압의 경우, 평균 이온 에너지 분포 파형 806에 도시된 바와 같이, 평균 이온 에너지는 약 216 eV 인 것으로 측정된다. 150 V의 바이어스와 바이어스 없음 (0 V) 사이의 총 차이는 171 eV인데, 이는 대략 150 eV와 같다. 종래의 이온 소스에 비해 본 발명의 구체예의 이점은 보조 중화제 또는 보다 복잡하고 고가의 다중 그리드 추출 시스템에 대한 요구 없이 추출된 이온의 평균 이온 에너지를 제어가능하게 조절하는 능력이다.
지금까지의 논의를 고려하면, 본 발명의 구체예에 따른 예시적인 플라즈마 이온 소스는 플라즈마 챔버 바디가 부착된 진공 챔버로부터 전기적으로 격리된 플라즈마 챔버 바디를 포함한다는 것을 이해할 것이다. 플라즈마 챔버 바디는 플라즈마 이온 소스의 전극으로서 역할을 수행하고 그에 적용된 바이어스 전압을 수용하도록 조절된다. 유도 안테나는 플라즈마 챔버 바디의 내부에 배치되고 플라즈마 챔버 바디의 내부에 전자기 소스를 공급하도록 배열된다. 안테나는 안테나에 공급되는 RF 전압의 함수로서 그 내부에 한정된 플라즈마 방전을 유지한다. 플라즈마 챔버 바디에 적용된 바이어스 전압은 플라즈마 방전 내에서 하전된 종에 정전기 전위를 공급한다. 플라즈마 이온 소스는 유도 안테나 반대편의 플라즈마 챔버 바디의 말단에 배치된 추출 그리드를 더 포함한다. 추출 그리드는 진공 챔버와 동일한 전압 전위에 있다. 추출 그리드와 플라즈마 챔버 바디 사이의 전위차는 추출 그리드 외부의 플라즈마 방전 내에 하전된 종을 가속하도록 배열되어 여기에 출력 준-중성 플라즈마 이온 빔을 생성한다. 플라즈마 챔버 바디에 적용된 바이어스 전압은 펄스 DC 전압과 결합 된 안테나에 공급되는 RF 전압의 일부를 포함한다.
지금까지의 논의를 고려하면, 본 발명의 일 구체예에 따라, 대면적 기판 표면 상에 박막 코팅을 증착하기 위해 선형화된 활성 플라즈마 이온 빔을 생성하는 방법이 제공됨을 이해할 것이다. 상기 방법은 하기를 포함하는 플라즈마 이온 소스를 제공하는 단계를 포함한다: 플라즈마 챔버 바디가 부착된 진공 챔버로부터 전기적으로 격리된 플라즈마 챔버 바디로서, 플라즈마 챔버 바디는 플라즈마 이온 소스의 전극으로서 역할을 수행하고 여기에 적용된 바이어스 전압을 수신하도록 조절되고; 플라즈마 챔버 바디의 내부에 배치되고 플라즈마 챔버 바디의 내부에 전자기 에너지 소스를 공급하도록 배열된 유도 안테나로서, 안테나는 내부에 한정된 플라즈마 방전을 유지하고, 바이어스 전압은 플라즈마 방전 내에 하전된 종에 정전기 전위를 공급하는 플라즈마 챔버 바디에 적용된 바이어스 전압이고; 및 유도 안테나와 대향하는 플라즈마 챔버 바디의 말단에 배치되는 추출 그리드로서, 추출 그리드는 진공 챔버와 동일한 전압 전위에 있고, 추출 그리드와 플라즈마 챔버 바디 간의 전위 차이는 추출 그리드의 외부의 플라즈마 방전 내의 하전된 종을 가속하도록 배열되어 출력 준-중성 플라즈마 이온 빔을 생성한다. 상기 방법은 유도 안테나에 무선 주파수(RF) 전압을 적용하는 단계, 플라즈마 방전은 RF 전압의 수준의 함수로서 생성되고, 유도 안테나에 공급된 RF 전압의 일부를 펄스 직류(DC) 전압과 결합하여 플라즈마 챔버 바디에 적용된 바이어스 전압을 생성하는 단계, 및 플라즈마 이온 빔의 이온 전류 밀도 및 이온 에너지를 독립적으로 제어하는 단계를 더 포함한다. 이온 전류 밀도는 유도 안테나에 적용된 RF 전압의 수준의 함수로서 제어되고, 이온 에너지는 펄스 직류 전압의 수준의 함수로서 제어된다.
지금까지의 논의를 고려하면, 본 발명의 일 구체예에 따라, PECVD에 의해 대면적에 박막 코팅을 증착하기 위한 장치는, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스, 플라즈마 이온 소스가 결부된 RF 생성기, 플라즈마 이온 소스가 결부된 바이어스 혼합기, 바이어스 혼합기가 결부된 바이어스 전력 공급기 및 플라즈마 이온 소스 및 코팅될 기판 표면 사이에 배치된 전구체 가스 매니폴드를 포함하는 것이 추가로 이해될 것이다.
플라즈마 이온 소스는 플라즈마 챔버 바디가 부착된 진공 챔버로부터 전기적으로 격리된 플라즈마 챔버 바디를 포함하고, 플라즈마 챔버 바디는 플라즈마 이온 소스의 전극으로서 역할을 수행하고 이에 적용되는 바이어스 전압을 여기에 수신하도록 조절된다. 유도 안테나는 플라즈마 챔버 바디 내부에 배치되고, 플라즈마 챔버 바디의 내부에 전자기 에너지 소스를 공급하도록 배열되며, 안테나는 안테나에 공급된 RF 전압의 함수로서 내부에 한정된 플라즈마 방전을 유지한다. 플라즈마 챔버 바디에 적용된 바이어스 전압은 플라즈마 방전 내에 하전된 종에 정전기 전위를 공급한다. 플라즈마 이온 소스는 유도 안테나와 대향하는 플라즈마 챔버 바디의 말단에 배치된 추출 그리드를 더 포함하고, 추출 그리드는 진공 챔버와 동일한 전압 전위에 존재한다. 추출 그리드와 플라즈마 챔버 바디 사이의 전위차는 추출 그리드의 외부에 플라즈마 방전 내에 하전된 종을 가속시키도록 배열되어 준-중성 플라즈마 이온 빔을 생성한다.
장치 내의 RF 생성기는 유도 안테나에 공급되는 RF 전압을 생성하도록 배열된다. 장치의 바이어스 혼합기는 유도 안테나에 공급된 RF 전압의 일부를 펄스 DC 전압과 결합하도록 배열되어 플라즈마 챔버 바디에 적용된 바이어스 전압을 생성한다. 장치의 바이어스 전력 공급기는 바이어스 혼합기에 공급되는 펄스 DC 전압을 생성하도록 배열된다. 장치 내의 전구체 가스 매니폴드는 장치에 공급 된 전구체 가스를 수용하도록 조절되며, 전구체 가스는 플라즈마 이온 빔과 상호 작용하여 기판 표면 상에 박막 코팅을 증착시킨다.
본원에 설명된 본 발명의 구체예의 예시는 다양한 구체예의 일반적인 이해를 제공하도록 의도되며, 이들은 본원에 설명된 기술을 사용하는 장치, 방법 및 시스템의 모든 요소 및 특징의 완전한 설명으로서 역할을 수행하도록 의도된 것은 아니다. 본원의 교시를 고려하여 많은 다른 구체예들이 통상의 기술자에게 명백할 것이다; 본 개시의 범위 및 사상을 벗어나지 않으면서 구조적 및 논리적 대체 및 변경이 이루어질 수 있도록 다른 구체예들이 이용되고 그로부터 도출된다. 도면은 또한 단지 표현일 뿐이며 축척대로 도시되지는 않았다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적인 의미가 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
본 발명의 구체예들은 단지 편의상 "구체예"라는 용어에 의해 그리고 본 출원의 범위를 임의의 단일 구체예 또는 둘 이상이 실제로 도시되는 경우 본 발명의 개념을 제한하려는 의도없이 개별적으로 및/또는 집합적으로 여기에서 언급된다. 따라서, 특정 구체예가 본원에서 예시되고 설명되었지만, 동일한 목적을 달성하는 배열이 도시된 특정 구체예(들)로 대체될 수 있음을 이해해야 한다; 즉, 본 개시는 다양한 구체예의 임의의 및 모든 조절 또는 변형을 포함하도록 의도된다. 상기 구체예 및 본원에서 구체적으로 설명되지 않은 다른 구체예의 조합은 본원의 교시를 고려하여 통상의 기술자에게 명백해질 것이다.
본원에서 사용된 용어는 특정 구체예의 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명을 제한하려는 의도는 아니다. 본원에 사용된, 단수 형태 “하나”, “한” 및 “상기”는 문맥상 명백하게 달리 지시하지 않는 한, 복수의 형태를 포함한다. 단수의 표현은 문맥 상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 사용될 때 "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는 언급된 특징, 단계, 작동, 요소 및/또는 구성 요소의 존재를 명시하지만 특징, 단계, 작동, 요소 및/또는 구성 요소의 이들의 군의 존재 또는 부가를 배제하지는 않는다는 것이 이해 될 것이다. "위", "상부", "아래", "하부", "전방" 및 "후방"과 같은 용어는 사용되는 경우, 요소의 절대 위치를 정의하는 것과는 달리, 특정 방식으로 이러한 요소들이 배향될 때 서로 요소 또는 구조의 상대적인 위치를 나타내는 것으로 의도된다.
사용될 수 있는 바와 같이, 하기 청구 범위 내의 모든 수단 또는 단계-플러스-기능 요소의 대응하는 구조, 재료, 동작 및 등가물은 구체적으로 청구된 바와 같이 다른 청구된 요소의 조합 내의 기능을 수행하기 위한 임의의 구조, 재료 또는 활동을 포함하는 것으로 의도된다. 다양한 구체예의 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었지만, 개시된 형태로 철저한 것이나 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않고 많은 수정 및 변형이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 구체예는 본 발명의 원리 및 실제 적용을 가장 잘 설명하고 통상의 기술자가 고려된 특정 용도에 적합한 다양한 변형을 갖는 다양한 구체예를 이해할 수 있도록 하기 위해 선택되고 설명되었다.
37 C.F.R. § 1.72 (b)에 따라 요약이 제공되며, 이는 독자가 기술적인 개시의 본질을 신속하게 확인할 수 있게 할 요약을 요구한다. 청구 범위의 범위 또는 의미를 해석하거나 제한하는 데 사용되지 않을 것이라는 이해와 함께 제출된다. 또한, 전술한 상세한 설명에서, 본 개시의 간소화 목적을 위해 다양한 특징이 단일 구체예에서 함께 그룹화됨을 알 수 있다. 이러한 개시 방법은 청구된 구체예가 각 청구 범위에 명시적으로 언급된 것보다 더 많은 특징을 요구한다는 의도를 반영하는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 첨부된 청구 범위가 반영하는 바와 같이, 독창적인 주제는 단일 구체예의 모든 특징보다 적다. 따라서, 이하의 청구 범위는 상세한 설명 내에 혼입되며, 각 청구 범위는 그 자체로 개별적으로 청구된 주제로서 서 있다.
본원에 제공된 본 발명의 구체예의 교시를 고려하면, 통상의 기술자는 본 발명의 구체예의 기술의 다른 구현 및 응용을 고려할 수 있을 것이다. 본 발명의 예시적인 구체예가 첨부 도면을 참조하여 본원에서 설명되었지만, 본 발명의 구체예는 본원에 도시되고 설명된 정확한 구체예로 제한되지 않으며, 그에 의해 다양한 다른 변경 및 수정이 첨부된 청구 범위의 범주를 벗어나지 않고 통상의 기술자에 의해 행해질 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (25)

  1. 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스로서,
    플라즈마 챔버 바디가 부착된 진공 챔버로부터 전기적으로 격리된 플라즈마 챔버 바디;
    플라즈마 챔버 바디의 내부에 배치되고, 플라즈마 챔버 바디의 내부에 전자기 에너지 소스를 공급하도록 배열된, 유도 안테나; 및
    유도 안테나와 대향하는 플라즈마 챔버 바디의 말단에 배치되는 추출 그리드를 포함하고,
    상기 플라즈마 챔버 바디는 플라즈마 이온 소스의 전극으로서 역할을 수행하고 여기에 적용된 바이어스 전압을 수신하도록 조절되고,
    상기 안테나는 안테나에 공급된 무선 주파수(RF) 전압의 함수로서 내부에 한정된 플라즈마 방전을 유지하고,
    플라즈마 챔버 바디에 적용된 바이어스 전압은 플라즈마 방전 내에 하전된 종에 정전기 전위를 공급하고,
    상기 추출 그리드는 진공 챔버와 동일한 전압 전위에 있고, 추출 그리드와 플라즈마 챔버 바디 간의 전위 차이는 추출 그리드의 외부의 플라즈마 방전 내의 하전된 종을 가속하도록 배열되어 출력 준-중성 플라즈마 이온 빔을 생성하고,
    플라즈마 챔버 바디에 적용된 바이어스 전압은 펄스 직류(DC) 전압과 결합된 안테나에 공급된 RF 전압의 일부를 포함하는,
    선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  2. 제 1 항에 있어서, 플라즈마 챔버 바디는 전기 전도성 재료로 형성되고 실질적으로 중공 직사각형 직육면체 형상인 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  3. 제 1 항에 있어서, 플라즈마 챔버 바디는 플라즈마 챔버 바디와 진공 챔버 사이에 배치된 절연 진공 플랜지를 사용하여 진공 챔버로부터 전기적으로 격리되는 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  4. 제 3 항에 있어서, 절연 진공 플랜지는 강성 세라믹 재료, 강성 폴리머 재료 및 강성 유리 재료 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  5. 제 3 항에 있어서, 절연 진공 플랜지는 1.0 메가헤르츠에서 3.0보다 큰 유전 상수를 가지고, 1.0 메가 헤르츠에서 0.0015 미만의 RF 손실 계수를 가지고, 150 메가 파스칼 초과의 압축 응력을 가지고, 및 1014 옴-cm 초과의 부피 저항을 가지는 강성 재료를 포함하는 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  6. 제 1 항에 있어서, 플라즈마 챔버 바디의 적어도 하나의 측벽과 열적으로 접촉하도록 배치된, 냉각 유체 또는 가스가 흐르는, 적어도 하나의 냉각 채널 을 더 포함하며, 냉각 채널은 플라즈마 챔버 바디로부터 열을 방출하도록 조절된 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  7. 제 6 항에 있어서, 적어도 하나의 냉각 채널은 플라즈마 챔버 바디의 적어도 하나의 측벽 내에 통합된 것 및 플라즈마 챔버 바디의 적어도 하나의 측벽의 외부 표면에 부착된 것 중 적어도 하나인 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  8. 제 1 항에 있어서, 추출 그리드는
    복수개의 전기 전도성 로드; 및
    내부에 개구를 갖고 복수의 전기 전도성 로드를 지지하도록 조절된 추출 그리드 어셈블리를 포함하며,
    복수의 전기 전도성 로드는 추출 그리드 어셈블리의 개구를 가로질러 분배되는 것인,
    선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  9. 제 8 항에 있어서, 복수의 전기 전도성 로드는 플라즈마 챔버 바디로부터 전기적으로 격리되는 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  10. 제 1 항에 있어서, 유도 안테나를 둘러싸는 정전기 차폐막을 더 포함하고, 정전기 차폐막은 유도 안테나와 플라즈마 챔버 바디 사이에 배치되는 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  11. 제 1 항에 있어서, 유도 안테나는 복수의 와인딩을 포함하고, 유도 안테나는 플라즈마 챔버 바디의 형상과 실질적으로 일치하는 형상을 갖는 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  12. 제 11 항에 있어서, 유도 안테나의 와인딩은 냉각 유체 또는 가스를 따라 유도 안테나로부터 열을 방출하기 위한 중공 전도성 재료로 형성되는 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  13. 제 11 항에 있어서, 유도 안테나의 와인딩의 제1부분은 플라즈마 챔버 바디 내에 배치되고, 유도 안테나의 와인딩의 제2부분은 플라즈마 챔버 바디의 외부에 배치되며, 플라즈마 방전은 와인딩의 제1부분 사이의 내부 공간 내에 한정되고, 유도 안테나는 플라즈마 방전에 노출된 와인딩의 적어도 제1부분을 둘러싸는 전기 절연체를 포함하고, 전기 절연체는 유도 안테나의 와인딩이 스퍼터링 되는 것을 방지하는 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  14. 제 13 항에 있어서, 와인딩의 적어도 제1부분을 둘러싸는 전기 절연체는 유도 안테나의 와인딩의 적어도 제 1 부분을 둘러싸는 산화 알루미늄 튜빙을 포함하는 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  15. 제 1 항에 있어서, 유도 안테나는 플라즈마 챔버 바디로부터 전기적으로 격리되는 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  16. 제 1 항에 있어서, 바이어스 혼합기와 결부된 전압 분배기를 더 포함하고, 전압 분배기는 유도 안테나에 적용된 RF 전압을 수신하고 감쇠 RF 전압을 생성시키도록 배열되고, 펄스 DC 전압과 결합될 때, 플라즈마 챔버 바디에 적용된 바이어스 전압을 형성하는 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  17. 제 16 항에 있어서, 전압 분배기는 각각, 제1 및 제2 차폐된 연결을 사용하여 바이어스 믹서 및 유도 안테나와 결부되고, 바이어스 믹서는 제3 차폐된 연결을 사용하여 플라즈마 챔버 바디와 결부되는 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  18. 제 1 항에 있어서, 바이어스 믹서는 안테나에 공급된 RF 전압의 일부와 펄스 DC 전압을 결합하도록 배열되어 출력 준-중성 플라즈마 이온 빔의 이온 전류 밀도 및 이온 에너지가 독립적으로 제어되며, 이온 전류 밀도는 안테나에 공급된 RF 전압의 일부의 함수로서 제어되고 이온 에너지는 펄스 DC 전압의 함수로서 제어되는 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  19. 제 1 항에 있어서, 추출 그리드는, 냉각 유체 또는 가스가 흐르는, 적어도 하나의 냉각 채널을 포함하고, 냉각 채널은 추출 그리드로부터 열을 방출하도록 조절되는 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  20. 제 1 항에 있어서, 플라즈마 챔버 본체 주위에 배치된 전자석 및 영구 자석 어레이 중 적어도 하나를 더 포함하고, 전자석 및 영구 자석 어레이 중 적어도 하나는 플라즈마 챔버 바디의 내부에서 자기장을 생성시키며, 유도 안테나에 의해 생성된 플라즈마 방전의 플라즈마 밀도를 상승시키는 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  21. 제 20 항에 있어서, 전구체 가스와 함께 플라즈마 이온 소스를 이용할 때의 박막 코팅의 증착 속도는 전자석 및 영구 자석 어레이 중 적어도 하나에 의해 생성된 자기장의 함수로 선택적으로 제어되는 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  22. 제 1 항에 있어서, 플라즈마 챔버 바디는 플라즈마 챔버 바디의 내부로 공급 가스를 도입하기 위한 적어도 하나의 입구를 포함하고, 플라즈마 방전은 공급 가스로부터 생성되는 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  23. 제 1 항에 있어서, 플라즈마 챔버 본체와 결부된 바이어스 혼합기를 더 포함하고, 바이어스 혼합기는 유도 안테나에 공급된 RF 전압의 일부를 펄스 직류 (DC) 전압과 결합시켜 플라즈마 챔버 바디에 적용된 바이어스 전압을 생성하는 것인, 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스.
  24. 플라즈마-강화된 화학 기상 증착에 의해 넓은 영역에 박막 코팅을 증착하기 위한 장치로서, 상기 장치는 선형화된 활성 플라즈마 이온 소스를 포함하고,
    상기 플라즈마 이온 소스는:
    플라즈마 챔버 바디가 부착된 진공 챔버로부터 전기적으로 격리된 플라즈마 챔버 바디;
    플라즈마 챔버 바디의 내부에 배치되고, 플라즈마 챔버 바디의 내부에 전자기 에너지 소스를 공급하도록 배열되는, 유도 안테나; 및
    유도 안테나와 대향하는 플라즈마 챔버 바디의 단부에 배치되는 추출 그리드를 포함하고,
    상기 플라즈마 챔버 바디는 플라즈마 이온 소스의 전극으로서 역할을 수행하고 여기에 적용된 바이어스 전압을 수신하도록 구성되며,
    상기 안테나는 안테나에 공급된 무선 주파수(RF) 전압의 함수로서 내부에 한정된 플라즈마 방전을 유지하고, 플라즈마 챔버 바디에 적용된 바이어스 전압은 플라즈마 방전 내에 하전된 종에 정전기 전위를 공급하며,
    상기 추출 그리드는 진공 챔버와 동일한 전압 전위에 있고, 추출 그리드와 플라즈마 챔버 바디 사이의 전위차는 추출 그리드의 외부의 플라즈마 방전 내의 하전된 종을 가속시키도록 배열되어 준-중성 플라즈마 이온 빔을 생성하며,
    상기 장치는:
    플라즈마 이온 소스와 결부되고, 유도 안테나에 공급되는 RF 전압을 생성시키는, RF 생성기;
    플라즈마 이온 소스와 결부되고, 유도 안테나에 공급된 RF 전압의 일부를 펄스 직류(DC) 전압과 결합시켜 플라즈마 챔버 바디에 적용된 바이어스 전압을 생성시키는, 바이어스 혼합기;
    바이어스 혼합기에 결부되고, 바이어스 혼합기에 공급된 펄스 DC 전압을 생성시키는, 바이어스 전원 장치; 및
    플라즈마 이온 소스와 코팅되는 기판 표면 사이에 배치되고, 장치에 공급되는 전구체 가스를 수용하도록 조절되는, 전구체 가스 매니폴드를 더 포함하고,
    전구체 가스는 플라즈마 이온 빔과 상호 작용하여 기판 표면 상에 박막 코팅을 증착시키는,
    장치.
  25. 넓은 면적 기판 표면 상에 박막 코팅을 증착하기 위한 선형화된 활성 플라즈마 이온 빔을 생성하는 방법으로서,
    플라즈마 이온 소스를 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 플라즈마 이온 소스는:
    플라즈마 챔버 바디가 부착된 진공 챔버로부터 전기적으로 격리된 플라즈마 챔버 바디;
    플라즈마 챔버 바디의 내부에 배치되고, 플라즈마 챔버 바디의 내부에 전자기 에너지 소스를 공급하도록 배열되는, 유도 안테나; 및
    유도 안테나에 대향하는 플라즈마 챔버 바디의 단부에 배치되는 추출 그리드를 포함하고,
    상기 플라즈마 챔버 바디는 플라즈마 이온 소스의 전극으로서 역할을 수행하고 여기에 적용된 바이어스 전압을 수신하도록 구성되며,
    상기 안테나는 내부에 한정된 플라즈마 방전을 유지시키고,
    플라즈마 챔버 바디에 적용된 바이어스 전압은 플라즈마 방전 내에 하전된 종에 정전기 전위를 공급하고,
    상기 추출 그리드는 진공 챔버로서 동일한 전압 전위에 있고, 추출 그리드와 플라즈마 챔버 바디 사이의 전위차는 추출 그리드의 외부의 플라즈마 방전 내의 하전된 종을 가속시키도록 배열되어 준-중성 플라즈마 이온 빔을 생성하며,
    상기 방법은:
    유도 안테나에 무선 주파수(RF) 전압을 적용하는 단계로서, 플라즈마 방전은 RF 전압의 수준의 함수로서 생성되는, 단계;
    유도 안테나에 공급된 RF 전압의 일부를 펄스 직류(DC) 전압과 결합하여 플라즈마 챔버 바디에 적용된 바이어스 전압을 생성하는 단계; 및
    플라즈마 이온 빔의 이온 전류 밀도 및 이온 에너지를 독립적으로 제어하는 단계로서, 이온 전류 밀도는 유도 안테나에 적용된 RF 전압의 수준의 함수로서 제어되고, 이온 에너지는 펄스 DC 전압의 수준의 함수로서 제어되는, 단계;를 더 포함하는,
    방법.
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