KR102603419B1 - 균일 두께 코팅을 위한 이온원을 포함하는 이온 빔 보조증착 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고 진공의 상태에서 연속 공정으로 초전도 선재를 위한 제2의 기판으로 사용되는 우수한 2축 정렬의 배향성을 갖는 고품질의 템플릿을 증착/형성하기 위한 이온 빔 보조 증착 인 라인 시스템(in-line system) 시스템에서, IBAD-MgO박막층 형성에 관한 것으로서, 광폭의 템플릿 증착 영역에 경사지게 입사되는 이온 빔이 증착 영역 전반에 걸쳐 균일한 이온 빔 특성을 가지며 입사되도록 형성됨으로써 증착 영역 전반의 증착 결과가 균일할 수 있는 이온원에 대한 것이다. 광폭 증착의 용도로서 복수의 이온 빔을 인출하는 이온원에서, 이온원을 구성하는 차폐 그리드 및/또는 가속 그리드의 개별 이온 빔에 대응되는 복수의 구조를 증착 영역과 이온원이 형성하는 경사 방향으로 점진적으로 변화하도록 형성된 이온원에 대한 것이다.
Description
본 발명은 대면적 코팅을 수행하는 이온 빔 보조증착 시스템에 있어서, 서로 다른 크기의 에너지를 갖는 이온 빔을 모재 기판에 제공하여 2축 정렬의 배향성과 균일한 두께의 박막층을 제공하여 생산성 향상 및 공정비용 절감을 제공하는 것을 목적으로 한다.
더욱 상세하게는, 높은 임계전류 특성을 갖는 고온 초전도체 또는 선재 형성을 위해서 모재로 사용되는 금속 테이프 기판 상부에 여러 개별층을 포함하는 2축 정렬의 배향성을 갖는 고품질의 버퍼층(buffer layer) 구조 중, BAD-MgO 박막층의 연속 공정 이온 빔 보조증착(IBAD: Ion Beam Assisted Deposition System) In-Line System를 제공하는 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
이온 빔 보조증착법(IBAD)은 고진공에서 스퍼터링(sputtering)과 같은 물리적 증착 시, 높은 에너지의 이온 빔을 표면에 조사하여 증착원의 이동도를 증가시켜 주는 방법이다.
이온 빔 보조증착법은 고온 초전도체를 전성이나 연성이 우수한 니켈 등의 금속 테이프 위에 증착한 박막형 초전도 선재의 제조에 이용될 수 있다(비특허문헌 1 참조). 논문을 참조하면, 1 km 길이의 초전도체 선재를 제조하였으며, 이를 위해 대형 진공 챔버에 선재의 이송과 정렬을 위한 릴(reel) 조립체와 스퍼터링 이온원, 보조 이온원 등이 배치되어 릴 사이의 선재에, 예컨대 2차원 배향성을 갖는 박막을 IBAD에 의해 증착하는 공정이 수행된다. 생산성을 높이기 위해서 증착이 이루어지는 영역은 대면적으로 형성되며, 릴과 릴 사이에는 복수의 선재가 이격 배치되어 이송된다(특허문헌 0002, 0003 참조).
IBAD기반 시스템은 고강도 하스텔로이(Hastelloy)를 많이 사용하였으나, 최근에는 SUS 등을 모재로 하여 다결정 금속 테이프 기판 위에 2축 정렬된 여러 층을 포함하는 버퍼층을 템플릿(template)으로 사용하여 REBaCuO 산화물계 초전도 선재를 형성한다. 균일한 2축 정렬의 배향성을 갖는 버퍼층을 포함하는 템플릿 자체가 초전도 선재의 기판 역할을 하기 때문에 기판의 결정학적, 화학적, 전기적 특성이 형성되는 초전도 선재에 직접적으로 영향을 미친다.
IBAD 연속 시스템의 소요비용에는(Hastelloy, SUS등의)모재비용, 모재표면처리, (설비비, 속도, 수율 등을 포함하는) IBAD 공정비용등이 포함된다. 저비용 대량생산을 고려할 때, 생산속도 즉, IBAD 이축 배향 박막층의 증착속도와 배향도를 증가시키는 것이 가장 중요하다. 단 시간 내에 우수한 2축 정렬된 배향의 결정성을 보이는 두께까지 박막을 성장시켜야 한다. 이를 위한 전처리 과정인 금속 테이프 기판 모재의 표면연마, 비정질 및 확산방지층의 공정비용도 중요한 요소이다.
통상 IBAD-MgO층을 얇게 증착한 다음 Homo-Epi 공정을 통해 적절한 두께의 MgO층을 적용하는 것이 일반적이다. IBAD 공정에서 가장 느린 부분인 IBAD-MgO의 2축 정렬된 배향성 층을 얼마나 빠르게, 즉 얇은 두께에서 우수한 정렬성과 광폭으로 생산하는 것이 저비용의 관건이 된다.
종래의 IBAD 공정은 이온 발생부에서 동일한 에너지로 가속된 이온 빔이 모재인 금속 테이프 기판상에 형성된 버퍼층 표면에 보조 증착원으로 제공되고, 금속 기판과 수직으로 놓여 있는 호스트 물질이 전자 빔 증착법에 의해서 증착된다. 버퍼층의 표면에서 호스트 물질의 입자가 보조 에너지원으로 제공되는 운동 에너지를 가지고 충돌하여 2축 정렬의 배향성을 갖는 MgO 박막을 형성한다. 그러나, 보조 증착원으로 제공되는 이온 빔 에너지가 버퍼층과의 한 쪽 방향으로 40° 내지 60°의 각도로 놓여 있기 때문에 거리 차이에 의해서 버퍼층 표면에 충돌하는 실제 이온 빔의 에너지는 버퍼층의 표면에 걸쳐 불균일한 운동 에너지 분포를 갖는다.
이러한 버퍼층 표면에서의 불균일한 이온 빔 에너지 차이는 호스트 입자의 충돌에 의한 상화 작용(식각-증착의 연쇄작용)의 불균일성을 야기하므로 2축 정렬의 배향성을 갖는 결정화에 필요한 충분한 에너지를 공급하지 못할 수 있다. 즉, 버퍼층을 포함하는 금속 테이프 기판의 종축(폭 방향)안쪽에서 중심방향의 바깥쪽으로 두께 및 2축 정렬의 배향성이 불균일 해질 수 있고, 따라서 수율과 생산성이 저하되어 막대한 공정비용이 소요되는 문제점이 있다(특허 0003참조).
Hanyu, S. and others, "High-rate and Long-length IBAD Layers for GdBa2Cu3O7-x Superconducting Film", Fujikura Tech. Review, 2010, pp.55-57.
본 개시는 초전도 선재를 형성하기 위한 균일한 2축 정렬의 배향성을 갖는 템플릿(LMO/Homo-Epi MgO/IBAD-MgO/Y2O3/Al2O3/금속 테이프 기판) 형성에 관한 것으로서, 우수한 2축 정렬의 배향성을 갖는 광폭이고 얇은 MgO 박막을 제공하는 IBAD 생산 시스템에 관한 것이다. 버퍼층(씨드층(Y2O3)/확산방지막(Al2O3)/금속 테이프 기판)이 형성된 금속 테이프 기판에 경사지게 입사되는 이온 빔 에너지가 버퍼층 상에서는 결과적으로 균일해지도록, 이온 빔 단면에서는 서로 다른 에너지 분포를 갖도록 형성된 이온원을 포함하는 IBAD 시스템을 제공하는 것이 주된 목적이다.
또한, 금속 테이프 기판 이송을 위한 롤 구조는 복수의 가이드 홈을 포함하는 멀티 턴(multi-turn) 방식의 4개 롤 각각이 사각 형태로 배치되는 4롤 구조로 구성하되, 좌우 롤 사이의 이격 거리가 상하 롤 사이의 이격 거리의 3배 이상이 되도록 제공함으로써, 금속 테이프 기판이 각각의 롤에서 회전할 때 발생하는 쏠림 현상에 의한 격벽의 갈림 현상을 제어하고 먼저, 지꺼기, 측면의 스트레인 등을 최소화하여 생산성이 향상된 IBAD 시스템을 제공하는 데 추가적인 목적이 있다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 개시의 일 실시예에 따른 이온원을 포함하는 IBAD 인라인 시스템은, 고온 초전도체 및 선재를 형성하기 위한 연속 공정의 IBAD 인라인 시스템에 있어서, 4개의 멀티 턴(multi-turn) 방식의 롤(roll) 각각이 사각 형태로 배치되는 4롤 구조를 포함하고, 템플릿(template) 형성을 위한 장축의 긴 금속 테이프 기판을 일정한 방향으로 이동시키도록 형성되되, 롤 각각의 중심을 기준으로 장축 방향의 롤 간 간격은 장축에 수직인 횡축 방향의 롤 간 간격의 3배 이상으로 형성되는, 이송부; 템플릿의 개별층이 형성되는, 금속 기판 상부의 증착 영역;증착 영역에 대향하여 평행하게 배치되어, 증착 영역에 템플릿의 개별층을 형성하는 호스트(host) 물질을 증착 영역에 수직한 방향으로 입사시켜 공급하는 전자 빔 공급부; 및 전자 빔 공급부로부터 금속 기판의 장축 방향으로 이격 배치되되, 일정 방향으로 입체 궤적을 갖는 가속된 고 에너지를 가지고, 금속 테이프 기판 상부에 형성되는 템플릿 표면 상에 호스트 물질의 형성을 보조하는 이온 빔을 장축 방향과 횡축 방향 사이의 소정의 각도로 입사시키는, 이온 빔 발생부를 포함하고, 이온 빔 발생부는 이온 빔의 단면 상의 에너지 크기가 상이하게 분포되도록 형성되되, 금속 테이프 기판에 도달하는 이온 빔의 에너지 분포가 균일하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 롤 각각은 금속 테이프 기판을 가이드 하며 이송하도록 형성되는 가이드 홈을 포함하되, 가이드 홈은 금속 테이프 기판의 멀티 턴 회전을 보장하고 비틀림을 방지하도록 롤의 원주 방향에 대해 소정의 각도를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 4롤 구조에서 롤 각각의 중심을 기준으로 장축 방향의 롤 간 간격은 장축에 수직인 횡축 방향의 롤 간 간격의 4배 이상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 증착 영역에 수직한 방향을 기준으로 이온 빔 발생부로부터 출사 되는 이온 빔의 빔 방향은 40°내지 60°가 되도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 템플릿의 증착 영역에 형성되는 개별층의 2축 배향의 결정성을 높이기 위한 열처리 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 템플릿은 금속 테이프 기판, 확산방지층(Al2O3), 씨드층(Y2O3), IBAD-MgO층, 호모 에피-MgO층, 스트레인 정합층(LMO_LaMnO)의 적층된 구조인 것을 특징으로 한다.
또한, 이온 빔은 이온 빔 발생부 초입에서 서로 다른 에너지를 가지도록 형성되고, 증착 영역의 중심에서 종단면에 걸쳐 상이한 자유행정거리(mean free path)를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 이온 빔 발생부는 차폐 그리드, 가속 그리드 및 접지 그리드를 포함하는 3중 전극으로 구성된 RF(Radio Frequency)이온원이고, 차폐 그리드는 복수의 개구부를 포함하되, 개구부는 원형, 타원형, 선(linear)형 중 어느 하나의 형태로 구성되고, 차폐 그리드의 개구부는 적어도 일부 영역에 모따기(chamfering) 형상을 포함하며, 모따기 형상의 모따기 각도는 일 방향으로 가변 되도록 형성되되 최대 42°인 것을 특징으로 한다.
또한, 가속 그리드는 일 방향으로 두께가 가변 되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 차폐 그리드와 가속 그리드는 일 방향으로 소정 각도로 기울어진 형태로 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 차폐 그리드의 복수의 개구부는 일 방향으로 조밀하거나 또는 성기도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 개시는 대면적의 증착 영역에 경사지게 입사되는 이온 빔이 증착 영역 전반에 걸쳐 균일한 이온 빔 특성을 가지며 입사됨으로써 증착 영역 전반에서 균일한 증착 결과를 얻을 수 있는 IBAD 시스템을 제공하는 효과가 있다.
또한, 초전도 선재를 형성하기 위해 제2의 기판으로 사용되는 광폭의 템플릿이 균일하고 우수한 2축 정렬의 배향성을 갖는 IBAD-MgO를 포함하도록 함으로써, 생산수율 증대 및 생산비용 절감의 효과가 있다.
도 1은 2세대 고온 초전도 선재의 단면 구조를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 4롤 구조의 멀티 턴 방식의 연속 공정을 위한 이온 빔 보조 증착(IBAD) 시스템의 개념도를 도시한다.
도 3은 상이한 입사각을 갖는 이온 빔이 템플릿 표면 상에 상이한 충돌 에너지를 제공하는 내용을 도시한다.
도 4는 템플릿 표면에 경사지게 입사되는 이온 빔의 경로 차이에 의해 템플릿 표면에 입사되는 이온 빔 에너지가 위치에 따라 달라지는 내용을 도시한다.
도 5는 도 4에 도시한 예에 따라 입사된 이온 빔의 충돌 전후, 이온 빔 에너지 변화와 그에 따른 IBAD-MgO의 2축 정렬의 배향성을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 이온원과 템플릿 간의 배치 각도에 대응하여 이온 빔 단면에서 서로 다른 에너지 분포를 갖도록 형성된 이온원에 의해 입사된 이온 빔의 충돌 전후, 이온 빔 에너지 변화와 그에 따른 IBAD-MgO의 2축 정렬의 배향성을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 4롤 구조의 멀티 턴 방식의 연속 공정을 위한 이온 빔 보조 증착(IBAD) 시스템의 개념도를 도시한다.
도 3은 상이한 입사각을 갖는 이온 빔이 템플릿 표면 상에 상이한 충돌 에너지를 제공하는 내용을 도시한다.
도 4는 템플릿 표면에 경사지게 입사되는 이온 빔의 경로 차이에 의해 템플릿 표면에 입사되는 이온 빔 에너지가 위치에 따라 달라지는 내용을 도시한다.
도 5는 도 4에 도시한 예에 따라 입사된 이온 빔의 충돌 전후, 이온 빔 에너지 변화와 그에 따른 IBAD-MgO의 2축 정렬의 배향성을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 이온원과 템플릿 간의 배치 각도에 대응하여 이온 빔 단면에서 서로 다른 에너지 분포를 갖도록 형성된 이온원에 의해 입사된 이온 빔의 충돌 전후, 이온 빔 에너지 변화와 그에 따른 IBAD-MgO의 2축 정렬의 배향성을 도시한다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 2세대 고온 초전도 선재의 단면 구조를 도시한다.
도 1을 참조하면, 2세대 고온 초전도 선재는 하스텔로이(Ni-합급 테이프) 또는 SUS테이프 기판 상에 전해연마(electroplating) 공정을 이용하여 표면을 처리하여 금속 테이프 기판(10)을 제작 후, 금속 테이프 기판(10)에서부터 표면으로 확산되는 불순물 등을 방지하기 위해서 증착(sputter) 장비를 이용하여 약 40㎚의 두께를 갖는 Al2O3 확산방지층(20)을 증착하여 형성한다. Al2O3 확산방지층(20) 상부 표면에 약 7 ㎚ 두께를 갖는 Y2O3 씨드층(30)을 증착 장비를 이용하여 증착한다. Y2O3 씨드층(30) 상부에 전자 빔 증착법에 의해 수직방향으로 놓이는 Mg 호스트 입자와 동시에 고에너지를 갖는 이온 빔을 보조 증착하여, 호스트 Mg 입자의 운동에너지를 전환시켜 2축 정렬된 배향성을 갖도록 표면속도가 제어된 IBAD-MgO층(40)이 형성된다. 2축 정렬의 배향성을 갖는 IBAD-MgO 상부에는 동종의 결정성을 갖는 약 30 ㎚ 이하의 호모 에피(Homo-epi)-MgO층(50)을 성장시킨다. 결정성을 높이기 위해서 고온의 열처리 공정이 전자 빔 증착법과 동시에 수행된다. 2축 정렬의 배향성을 갖는 호모 에피-MgO층(50) 상부에는 향후 초전도층과의 격자 불일치와 열팽창계수의 차이에 의해서 발생하는 스트레인을 제어하기 위해서 약 20 ㎚의 두께를 갖는 LMO(LaMnO) 스트레인 정합층(60)을 스퍼터링(sputtering) 증착법을 이용하여 형성한다.
금속 테이프 기판(10)의 상부에 형성되는 [확산방지층(20)/씨드층(30)/IBAD-MgO층(40)/호모 에피-MgO층(50)/스트레인 정합층(60)]은 초전도체 또는 선재에 대한 제2의 기판으로 사용되는 템플릿(1) 역할과 기능을 수행한다. 템플릿(1)의 2축 정렬의 배향성과 균일성은, 초전도체 또는 선재의 물리적, 화학적, 전기적 특성이 직접적으로 결정하는 핵심 요소이다. 따라서, 템플릿(1)으로 사용되기 위해서는 우수한 2축 정렬의 배향성과 균일성이 필수적으로 확보되어야 한다. 이를 해결하기 위해서는 고진공의 연속 일괄 공정으로 진행되는 In-Line System 생산 공정에 구축되어야 한다. 즉, 초전도체 또는 선재의 성능과 생산수율을 결정하는 가장 중요한 공정은 균일한 2축 정렬의 배향성을 갖는 IBAD-MgO층(40)을 확보하는 공정이라 할 수 있다.
템플릿(1) 상부에는 1 내지 3 ㎛의 두께를 갖는 REBaCuO 초전도 산화물(70)을 RCE(reactive co-evaporation), PLD(pulse laser deposition), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 등의 방법과 방식을 이용하여 형성한다. REBaCuO 초전도 산화물층(70)을 보호하기 위해서 스퍼터링 증착법을 이용하여 약 1.5 ㎛ 두께를 갖는 Ag 보호층(80)을 형성한다. 각각의 공정별 및/또는 층별 열처리가 수행될 수 있고, 최종적으로 전해연마 또는 라미네이션 방법을 이용하여 두꺼운 Cu를 형성한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 4롤 구조의 멀티 턴 방식의 연속 공정을 위한 이온 빔 보조 증착(IBAD) 시스템의 개념도를 도시한다.
도 2에 예시한 이온 빔 보조 증착 시스템은 초전도 선재를 제조하기 위한 시스템을 예시하였으나, 이에 한정한 것은 아니며, 평판 형태의 대면적 반도체, 광전지(photovoltaic), 자기(magnetic) 소재에 적용될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 IBAD 시스템은,대형 진공 챔버 내에 금속 테이프 기판의 이송과 정렬을 위한 풀림 영역(unwinding zone, 210)과 감김 영역(rewinding zone, 230)이 구성되고, IBAD-MgO층의 2축 정렬의 배향성을 향상시키기 위해서 4롤 구조(200: 220a,220b,220c,220d)의 연속 공정의 멀티 턴 방식으로 구성된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 IBAD 시스템은, 각각의 개별 롤(220a, 220b, 220c, 220d)의 중심을 기준으로 (도면의 수평 방향인) 장축에 대한 (도면의 수직 방향인)횡축의 길이는 4배 이상의 비율을 갖는 이송부(200), 템플릿(1)의 개별층을 형성하는 템플릿 증착 영역(260), 2축 정렬의 배향성을 위해 열에너지를 제공하는 히터(250), 템플릿(1)과 평행으로 장착되고, MgO층의 호스트 입자를 수직으로 증착하는 전자 빔 공급부(290) 및 템플릿(1)에 대해 45°의 각도로 배치되고 서로 다른 방향성을 갖는 고에너지 이온 빔을 발생하는 이온 빔 발생부(280)로 구성된다. 이온 빔 발생부(280)는 서로 다른 크기로 가속되는 고에너지(이온 빔 전류)를 갖는 복수개의 이온 빔을 동시에 제공하도록 형성되며, 템플릿 증착 영역(260)의 중심의 종단면에서 서로 다른 자유행정거리(mean free path)를 갖도록 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이온 빔 발생부(280)에서 서로 다른 에너지(전류밀도, 크기)을 갖도록 동시에 가속된 고 에너지를 갖는 이온 빔을 제공함으로써, 이온 빔이 템플릿 증착 영역(260) 표면의 수직축에 대해서 기울어져 템플릿 증착 영역(260)에 경사지게 입사되더라도, 우수한 2축 정렬의 배향성과 균일성을 갖는 고품질의 IBAD-MgO층(40)을 제공할 수 있다.
도 3은 상이한 입사각을 갖는 이온 빔이 템플릿 표면 상에 상이한 충돌 에너지를 제공하는 내용을 도시한다.
도 3은 이온 빔 보조증착을 위한 이온 빔 발생부(발생장치)(280)를 템플릿 증착 영역(260)에 대해 종(폭) 방향(45°방향)및 횡(길이) 방향(90°방향)으로 상이한 배치 각도를 가지고 장착된 경우, 이온 빔의 에너지 변화를 나타낸다.
도 3의 (b)를 참조하면, 이온 빔 발생부(280)는 금속 테이프 기판(10)위에 일부 버퍼층의 형성된 템플릿(1)과 평행하게 배치되고, 템플릿(1) 표면상에 전자빔 방식에 의해서 수직방향으로 증착되는 호스트 입자(Mg)와의 균일한 운동 에너지 변환을 갖도록 보조한다. 따라서 이온 빔 발생부(280)로부터 템플릿(1)의 표면상으로 가속된 이온 빔의 에너지는 동일한 자유행정거리(mean free path)를 가질 수 있다.
반면, 도 3의 (a)를 참조하면, 이온 빔 발생부(280)가 템플릿(1)의 표면과 일정한 각도(예컨대 45°)로 기울어져 배치되는 경우, 템플릿(1)의 표면에 충돌하는 복수개의 이온 빔은 이온 빔 발생부(28)의 단면 상의 방출 위치에 따라 템플릿(1)의 표면과의 거리 차이가 발생한다. 따라서, 템플릿(1)의 표면상에서 호스트(Mg) 입자와의 운동 에너지 변환의 상호작용(식각-증착의 연쇄반응)이 불균일하게 발생될 수 있으며 결과적으로 IBAD-MgO(40)층의 두께차이를 야기할 수 있다. 이러한 IBAD-MgO(40)층의 불균일한 두께 차이는 직접적으로 2축 정렬의 배향성에 결정성 저하를 초래할 수 있다. 이러한 2축 정렬의 배향성의 불균일은 초전도 선재의 성능과 생산수율에 치명적인 악영향을 초래할 수 있다.
따라서, 금속 테이프 기판을 이용한 연속 공정의 IBAD in-line system의 생산수율과 생산성 향상 및 광폭 적용을 통한 대량생산을 위해서는 템플릿 표면에 충돌하는 이온 빔이 균일한 에너지를 가지도록 제공되어, 결과적으로 호스트 입자(Mg)를 균일한 운동 에너지로 변화시킬 수 있어야 한다.
도 4는 템플릿 표면에 경사지게 입사되는 이온 빔의 경로 차이에 의해 템플릿 표면에 입사되는 이온 빔 에너지가 위치에 따라 달라지는 내용을 도시한다.
도 4는 템플릿(430)의 증착 표면 상 위치별로 입사되는 이온 빔 에너지(Ea1, Ea2, Eb1, Eb2)가 상이함을 나타낸다. 설명의 편의를 위해, 이온 빔 발생부(410)에 대한 템플릿(430)의 증착 표면이 설정 각도(예를 들어, 45°)로 배치된 경우에 대해 거리 변화에 따른 에너지 차이를 설명한다. 도 4에 도시된 템플릿(430)과, 템플릿(430)의 증착 표면은 각각 도 2, 도 3에 도시된 템플릿(1)과, 템플릿 증착 영역(260)에 대응될 수 있다. 도 4에 도시된 이온 빔 발생부(410)는 도 2, 3에 도시된 이온 빔 발생부(280)에 대응될 수 있다.
도 4를 참조하면, 이온 빔 방출부(420a, 420b)의 가로/세로의 길이는 6 x 22 ㎝ 또는 6 x 30 ㎝이고, 종(폭) 방향의 크기는 6 ㎝ 정도인 이온 빔 발생부(410)를 예시한다. 이온 빔 방출부(420a, 420b)의 초입에서 가속된 이온 빔의 에너지 크기는 균일하며, 상부와 하부에서 Ea1, Eb1의 에너지 방출되는 경우를 예시한다. 방출된 이온 빔은 45°기울어져 배치된 A-zone과 B-zone 템플릿 표면과 충돌하여 운동 에너지로 변환된다. 이때, A-zone의 충돌 에너지를 Ea2, B-zone의 충돌 에너지를 Eb2라고 할 때, A-Zone에서 B-zone의 기울기에 의한 거리차가 발생하여 그에 따른 이온 빔의 에너지 또한 불균일하게 변화한다.
도 4 상에 도시된 이온 빔 발생부(410)는 차폐 그리드, 가속 그리드, 감속 그리드의 3중 전극 구조를 가질 수 있다. 이온 빔 발생부(410)는 내부의 RF 플라즈마 상태에서 자기장에 의해서 전자가 원형 또는 타원형으로 고속 회전하고, 가속 그리드에 음전압(-)을 인가하면 이온 빔이 가속되면서 일정한 방향성을 가지고 이온 빔 방출부(420a, 420b)로부터 고 에너지의 입체 궤적을 가지고 템플릿(430)의 표면으로 가속된다.
이온원(ion source)에서 생성된 플라즈마는 통상 플라즈마 확장컵에 모이게 되고, 차폐 그리드(screen grid)에 의해 플라즈마 표면 형태가 제어될 수 있으며, 플라즈마 표면으로부터 플라즈마가 인출될 수 있다.
인출된 빔의 확산을 억제하고 진행방향으로 고밀도의 이온 빔을 진행시키기 위해서 플라즈마 표면은 인출 방향에서 봤을 때 약간 오목한 형태가 바람직하다. 차폐 그리드나 플라즈마 인출부 주변의 구조(형상, 두께, 높이, 가속 그리드의 두께와 아크(arc) 방전이 일어나지 않은 범위내에서 차폐 그리드와 스크린 그리드와의 거리) 및 바이어스 조건에 따라 인출된 빔의 초기 궤적의 각도 변화에 의한 이온 빔의 방향과 에너지(전류밀도, 세기)가 변경될 수 있다.
가속 그리드는 인출된 이온 빔을 가속하고, 구성되는 형태(두께, 이온 빔이 통과가능한 개구부의 형상)에 따라 렌즈 역할을 할 수 있으며, 이온 빔을 포커싱(focusing)하는 역할을 수행하며 플라즈마 내의 전자들이 플라즈마 챔버로부터 방출되는 것을 억제하고 차폐 그리드로 흡수되도록 형성할 수 있다.
감속 그리드는 스퍼터링 된 하전 입자들이 차폐 그리드나 가속 그리드에 흡착되는 것을 방지하고, 이온원의 최외측에 배치되어 차폐 그리드나 가속 그리드를 추가적으로 더 지지하고 열 변형 등을 억제하는 구조로 설계/제작될 수 있다.
본 개시는 서로 다른 에너지를 갖는 이온 빔을 템플릿 표면에 가속 충돌하여 호스트 입자에 활발한 운동 에너지의 상호작용(식각-증착의 연쇄반응)이 균일하게 진행되도록 함으로써 균일한 2축 정렬의 배향성을 갖는 IBAD-MgO층(40)을 제공하는 것을 특징으로 한다.
따로 도시하지는 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 빔 발생부(280)의 이온 빔 방출부(22)(도 6 참조)의 구조는, 통상의 기술자라면 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 복수의 플라즈마 인출구 및 후방에 연이어 배치되는 차폐 그리드, 가속 그리드 및 감속 그리드를 포함하는 기본적인 3중 전극 구조를 갖는다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 빔 발생부(280)는 차폐 그리드, 가속 그리드 및 감속 그리드를 포함하는 3중 전극으로 구성된 RF(Radio Frequency)이온원일 수 있다. 다만, 본 개시의 일 실시예에 따르면 각각의 인출구로부터 인출되는 복수의 빔을 구성하는 일부 특정 영역에서 서로 다른 에너지를 가지고 인출되도록 제어하는 각각의 차폐 그리드, 가속 그리드 및 감속 그리드를 포함한다. 본 개시의 일 실시예에 따르면 이들의 형상을 적절히 변화시켜 서로 다른 에너지를 갖는 복수의 이온 빔들이 동시에 방출되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 개시의 일 실시예는 전체 이온 빔을 구성하는 복수의 개별 이온 빔을 동일한 형상을 가지는 그리드로 구성하는 것이 아니라, 이온 빔 단면에서 일방향으로 그 특성이 변화하도록 개별 이온 빔들의 그리드 설계를 변화시키는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 인출되는 빔의 확산(혹은 에미턴스(emittance)) 또는 가속되는 에너지는 이들 차폐 그리드, 가속 그리드에 의해서 정의될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 빔 보조증착 시스템은 템플릿(1)과 이온 빔 발생부(280)의 각도 배치 관계를 고려하여 균일한 에너지가 템플릿(1) 상에 입사되도록 이온 빔을 출사하는 이온원의 구조가 설계될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에서, 차폐 그리드의 두께는 얇을수록 인출되는 이온 빔 전류가 커지고, 두께가 두꺼워질 수록 차폐 그리드에 의해 형성되는 전계가 플라즈마 영역으로 침투하는 정도가 감소하고 이에 따라 인출되는 이온 빔 전류도 감소한다. 플라즈마 표면에서부터 인출된 이온 빔은 중심축에서 평행하게 진행하는 이상적인 형태가 아니므로 차폐 그리드의 두께가 얇을수록 차폐 그리드에 의해 차단하는 이온 빔이 감소된다. 한편, 차폐 그리드가 너무 얇으면 차폐 그리드의 수명이 짧아질 수 있으므로 적절한 두께 이상으로 설계되어야 한다.
또한, 차폐 그리드의 두께가 증가함에 따라 플라즈마 표면의 곡률반경은 커지면서, 덜 오목한 상태가 되며, 통상 차폐 그리드의 출구 직경보다 가속 그리드이 구멍 직경이 작은 점을 감안하면, 가속 그리드를 통과하는 이온 빔의 밀도는 더 낮아지게 된다.
삭제
본개시의 일 실시예에서, 차폐 그리드와 가속 그리드는 함께 작용하여 플라즈마 표면의 형성과 플라즈마 표면으로부터 인접한 영역의 전계를 형성한다. 같은 크기의 바이어스 조건에서 두 그리드 사이의 간격이 가까울수록 플라즈마 표면으로부터 이온 빔을 인출하는 전계의 구배(gradient)가 크게 형성되고 그에 따라 더 큰 이온 빔 전류가 인출될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에서는 이온 빔의 특성을 정의하는 이러한 차폐 그리드 및 가속 그리드의 관련 설계사양을 복수의 플라즈마 출구(즉, 차폐 그리드 내의 복수의 인출구)가 위치에 따라 변화하도록 설정함으로써 이온 빔 중심축에 대해 기울어진 단면 상에 균일한 이온 빔 특성이 구현되는 이온원을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이온 빔 발생부(280) 중 이온 빔이 출사되는 이온 빔 방출부(22)(도 6 참조)는 템플릿(1)의 표면에 대해 설정 각도(예를 들어, 45°)로 경사지게 배치될 수 있다. 이에 따라 이온 빔 방출부(22)는 템플릿(55)의 표면과의 거리가 상대적으로 가까운 일측부와, 템플릿(55)의 표면과의 거리가 상대적으로 먼 타측부를 가진다. 이하에서는 본 발명의 설명에서는 이온 빔 방출부(22)의 일측부에서 타측부를 향하는 방향을 일 방향이라 지칭하기로 한다.
본 개시의 일 실시예에서, 이온원은 차폐 그리드에 배치된 복수의 출구 직경이 차폐 그리드의 영역 상에서 일 방향으로 커지거나 혹은 작아지도록 형성되는 차폐 그리드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이온 빔 발생부(280) 중 이온 빔이 출사되는 이온 빔 방출부(22)(도 6 참조)는 템플릿(1)의 표면에 대해 설정 각도(예를 들어, 45°)로 경사지게 배치될 수 있다. 이에 따라 이온 빔 방출부(22)는 템플릿(55)의 표면과의 거리가 상대적으로 가까운 일측부와, 템플릿(55)의 표면과의 거리가 상대적으로 먼 타측부를 가진다. 이하에서는 본 발명의 설명에서는 이온 빔 방출부(22)의 일측부에서 타측부를 향하는 방향을 일 방향이라 지칭하기로 한다.
본 개시의 일 실시예에서, 이온원은 차폐 그리드에 배치된 복수의 출구 직경이 차폐 그리드의 영역 상에서 일 방향으로 커지거나 혹은 작아지도록 형성되는 차폐 그리드를 포함할 수 있다.
삭제
본 개시의 일 실시예에서, 이온원은 차폐 그리드에 대해 소정 각도로 기울어진 형태로 배치되는 가속 그리드들을 포함하고, 차폐 그리드에 배치된 복수의 출구가 차폐 그리드의 영역 상에서 일 방향으로 조밀하거나 혹은 성기도록 배치되는 차폐 그리드를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에서, 차폐 그리드와 가속 그리드가 서로 평행하지 않게 배치되거나 두께가 변하는 경우에도 이온 빔이 통과하는 구멍 형상의 중심축은 이온 빔 진행 방향에 나란하게 형성될 수 있다.
또한, 상술한 일 방향은 이온원의 중심축과 증착 영역의 수직축이 서로 경사진 방향으로 정의할 수 있다. 즉, 이온원에서 출사된 이온 빔은 증착 영역에 가까운 이온 빔의 영역에서의 이온 빔 에너지가 증착 영역에 먼 이온 빔의 영역에서의 이온 빔 에너지보다 작은 상태로 출사될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 이온원에서 출사되는 이온 빔은 일 방향으로 점진적으로 변하는 에너지를 가짐으로써, 증착 영역에 도달했을 때, 이온원으로부터 가까운 거리이거나 먼 거리이거나 마찬가지로 균일한 수준의 이온 빔 에너지를 가지고 증착 영역에 입사될 수 있다.
도 5는 도 4에 도시한 예에 따라 입사된 이온 빔의 충돌 전후, 이온 빔 에너지 변화와 그에 따른 IBAD-MgO의 2축 정렬의 배향성을 도시한다.
도 5를 참조하면, 일반적인 이온 빔 방출부(22)에서 가속된 고 에너지를 갖는 이온 빔의 템플릿(55)의 증착 영역의 A-B 종(폭) 방향으로 충돌 거리에 따른 이온 빔 에너지 변화와 그에 다른 IBAD-MgO층(40)의 두께 분포를 나타낸다.
도 5의 (b)에서, 초기 이온 빔 방출부(22)에서 템플릿(55)의 증착 영역 방향으로 가속된 이온 빔의 에너지는 균일하지만, A에서 B의 종(폭) 방향으로 경사진 입사각에 의해서 발생하는 거리차이에 의해서 불균일한 이온 빔의 에너지 분포를 가진다. 이러한 불균일한 이온 빔의 에너지차이는 도 5의 (c)에서 도시된 바와 같이, 불균일한 두께를 갖는 IBAD-MgO층(40)을 형성하게 된다.
A 영역에서 이온 빔의 에너지는 템플릿(55)의 증착 영역의 호스트(Mg) 입자에 충돌에 의한 충분한 상호작용(식각-증착의 연쇄반응)이 일어나도록 운동 에너지로 변환되어 호스트 입자의 표면 이동도를 증가시키고, 이웃하는 호스트 입자들이 융합되면서 수평방향으로 우선하는 2차원 결합이 일어나기 때문에 2축 정렬의 배향성 IBAD-MgO층(40)이 형성된다.
반면, B영역에서 두껍게 형성된 IBAD-MgO층은 증착 표면에서 호스트 입자에 보다 먼 거리를 이동한 이온 빔이 충돌하면서 이온 빔의 에너지가 상호 작용이 일어날 수 있는 충분한 운동 에너지로 전환되지 못한 원인에 의해서 증착 표면에서 표면 이동도가 감소하고, 호스트 입자들이 그대로 증착되어 수평방향으로의 결합보다는 수직 방향으로 3차원 결합될 수 있다. 이러한 수직 방향의 3차원 결합에 의해 두께가 두꺼워지고, 2축 정렬의 배향성이 확보되지 않을 수 있으며, 비정질 또는 다결정질의 입자 경계(grain boundary)를 갖는 박막층을 형성하게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 이온원과 템플릿 간의 배치 각도에 대응하여 이온 빔 단면에서 서로 다른 에너지 분포를 갖도록 형성된 이온원에 의해 입사된 이온 빔의 충돌 전후, 이온 빔 에너지 변화와 그에 따른 IBAD-MgO의 2축 정렬의 배향성을 도시한다.
도 6을 참조하면, 이온 빔 방출부(22)에서 동시에 가속되되 방출된 후 빔 단면의 일 방향으로 서로 다른 빔 에너지를 갖도록 형성된 이온 빔이 충돌 된, 템플릿(55)의 증착 영역의 A-B 종(폭) 방향으로의 충돌 거리에 따른 이온 빔 에너지 변화와 그에 따른 IBAD-MgO층(40)의 두께 분포를 나타낸다. 도 5, 도 6에 도시된 이온 빔 방출부(22)은 도 4에 도시된 이온 빔 방출부(420a, 420b)에 대응될 수 있다. 도 5, 도 6에 도시된 템플릿(55)은 도 2, 도 3에 도시된 템플릿(1)과, 도 4에 도시된 템플릿(430)에 대응될 수 있다.
도 6의 (b)를 참조하면, 초기 이온 빔 방출부(22)에서 템플릿(55)의 증착 영역의 방향으로 가속된 이온 빔의 에너지는 B 영역으로 입사되는 이온 빔의 에너지가 A 영역으로 입사되는 이온 빔의 에너지보다 크되, 경사진 입사각에 의한 거리차이가 있는 템플릿(55)의 증착 영역에서 호스트 입자에, 충돌에 의한 상호 작용이 충분히 일어날 수 있도록, 결과적으로 A영역에서 B 영역까지 전 영역에 걸쳐 균일한 운동 에너지를 제공할 수 있다.
도 6의 (c)를 참조하면, 일 실시예에 따른 IBAD 시스템에 의해 A영역으로부터 B 영역으로 종(폭) 방향의 템플릿(55)의 증착 영역에서 균일한 두께의 2축 정렬의 배향성을 갖는 IBAD-MgO층(40)를 형성할 수 있음을 예시한다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 템플릿
20 : 확산방지층 30 : 씨드층
20 : 확산방지층 30 : 씨드층
Claims (11)
- 템플릿(template) 형성을 위한 금속 테이프 기판을 이동시키는 이송부;
상기 이송부에 의해 이동되는 상기 금속 테이프 기판과 마주하게 배치되고, 상기 금속 테이프 기판 상에 상기 템플릿의 개별층을 형성하는 호스트(host) 물질을 공급하는 전자 빔 공급부; 및
상기 템플릿을 향해 이온 빔을 방출하여 상기 호스트 물질의 형성을 보조하며, 차폐 그리드와 가속 그리드를 포함하는 이온원의 구조를 가지고 복수개의 이온 빔을 상기 템플릿의 표면에 경사지게 방출하는 이온 빔 발생부;를 포함하고,
상기 이온 빔 발생부는,
이온 빔이 출사되는 이온 빔 방출부가 상기 템플릿의 표면에 대해 설정 각도로 경사지게 배치되어, 상기 템플릿의 표면과의 거리가 상대적으로 가까운 일측부와, 상기 템플릿의 표면과의 거리가 상대적으로 먼 타측부를 가지며,
상기 템플릿의 표면에 도달되는 복수개의 이온 빔들의 에너지 크기가 균일하도록, 상기 이온 빔 방출부는 상기 일측부에서 상기 타측부를 향하는 일 방향으로 갈수록 점진적으로 에너지 크기가 큰 이온 빔을 출사하되,
상기 차폐 그리드는 상기 일 방향으로 갈수록 상기 차폐 그리드에 의해 형성되는 전계가 플라즈마 영역으로 침투하는 정도가 증가하도록 상기 일 방향으로 갈수록 두께가 얇아지고,
상기 가속 그리드는 상기 일 방향으로 갈수록 플라즈마 표면으로부터 이온 빔을 인출하는 전계의 구배(gradient)가 크게 형성되도록 상기 일 방향으로 갈수록 상기 차폐 그리드와의 간격이 가까워지게 배치되되, 상기 차폐 그리드에 대해 기울어진 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 균일 두께 코팅을 위한 이온원을 포함하는 이온 빔 보조증착 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 이송부는, 4개의 멀티 턴(multi-turn) 방식의 롤(roll)들이 사각 형태로 배치되는 4롤 구조를 가지고,
장축 방향의 상기 롤 간 간격은 상기 장축에 수직인 횡축 방향의 상기 롤 간 간격보다 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 균일 두께 코팅을 위한 이온원을 포함하는 이온 빔 보조증착 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 롤은, 상기 금속 테이프 기판을 가이드하며 이송하도록 형성되는 가이드 홈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 균일 두께 코팅을 위한 이온원을 포함하는 이온 빔 보조증착 시스템
- 제1항에 있어서,
상기 설정 각도는, 상기 템플릿의 표면에 수직한 방향을 기준으로 40°이상 내지 60°이하인 것을 특징으로 하는 균일 두께 코팅을 위한 이온원을 포함하는 이온 빔 보조증착 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 개별층의 2축 배향의 결정성을 높이기 위한 히터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 균일 두께 코팅을 위한 이온원을 포함하는 이온 빔 보조증착 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 템플릿은 상기 금속 테이프 기판, 확산방지층(Al2O3), 씨드층(Y2O3), IBAD-MgO층, 호모 에피-MgO층, 스트레인 정합층(LMO_LaMnO)이 적층된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 균일 두께 코팅을 위한 이온원을 포함하는 이온 빔 보조증착 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 차폐 그리드는 이온 빔이 통과가능한 복수의 개구부를 포함하되, 상기 개구부는 원형, 타원형, 선(linear)형 중 어느 하나의 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 균일 두께 코팅을 위한 이온원을 포함하는 이온 빔 보조증착 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 차폐 그리드의 복수의 개구부는 상기 일 방향으로 갈수록 조밀하거나 또는 성기도록 배치되는 것을 특징으로 하는 균일 두께 코팅을 위한 이온원을 포함하는 이온 빔 보조증착 시스템.
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