KR19980025369A - 전자빔 증착장치용 펄스 이온빔 발생장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 펄스형 애노드 전압의 인가에 의해 기판(모재)을 최적상태로 중화시킴과 동시에 양극의 과열을 방지하고 고에너지 이온빔의 발생에 따라 금속, 산화물, 화합물 등을 유리 또는 저융점 물질 위에도 밀착력이 높고 광학적 특성이 우수한 박막의 코팅이 이루어질 수 있게 하는 전자빔 증착장치용 엔드홀 타입(end Hall type) 펄스 이온빔 발생장치 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명은 기판에 소오스 물질을 증착시키기 위한 전자빔 증착장치의 이온빔 발생장치에 있어서, 펄스 폭 조절이 가능한 펄스신호를 발생하기 위한 펄스신호 발생수단과, 상기 펄스신호의 인가에 따라 고압의 펄스형 전압신호를 출력하는 스위칭 트랜지스터와, 가열에 의해 열전자를 방출하기 위한 캐소드와, 상기 방출된 열전자에 의해 이온화되는 Ar 가스를 공급하기 위한 Ar 가스 공급수단과, 상기 스위칭 트랜지스터의 출력에 접속되어 펄스형 전압신호가 인가되는 제 1 기간에는 상기 열전자를 흡인하고, 이온화된 Ar 이온을 반발 가속시키기 위한 애노드로 구성되어, 상기 제 1 기간에 반발 가속된 Ar 이온에 의해 양성화된 상기 기판을 상기 펄스형 전압신호의 전압이 인가되지 않는 제 2 기간 동안 상기 방출된 열전자를 이용하여 중화시키는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 전자빔 증착장치용 펄스 이온빔 발생장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 펄스형 애노드 전압의 인가에 의해 기판(모재)을 최적상태로 중화시킴과 동시에 애노드의 과열을 방지하고 고에너지 이온빔의 발생에 따라 금속, 산화물, 화합물 등을 유리 또는 저융점 물질 위에도 밀착력이 높고 광학적 특성이 우수한 박막의 코팅이 이루어질 수 있게 하는 전자빔 증착장치용 엔드홀 타입(end Hall type) 펄스 이온빔 발생장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 카메라 렌즈의 무반사 코팅, 레이저 공명기용 거울 등의 고반사율 코팅, 밴드패스필터 또는 간섭필터용 금속코팅 등 광학계에는 분야별로 요구되는 최적의 광학적 특성을 갖는 기능성 광학제품을 제작하는 것이 요구된다.
이러한 기능성 광학부품은 Cr, Al, Cu, Ag 등과 같은 단일금속, Al2O3, SiO2, TiO2, ZnO2등과 같은 산화물 또는 TiN, Si3N4, MgF2등과 같은 화합물들을 수십에서 수백nm(1nm-109m) 단위로 유리나 아크릴 위에 단일 또는 다중 코팅하여 완성되어 진다.
금속코팅은 주로 전자빔 증착장비 또는 스퍼터(sputter) 장비를 이용하며, 장비의 구성 및 코팅조건에 따라서 박막의 특성은 확연히 달라지게 되어 최적의 장비구성과 공정조건을 결정하지 못하면 박막의 밀착력이 약하거나 외부환경에 따라서 광학적 특성이 변화될 뿐만 아니라 굴절율, 전도도, 투과율, 반사율 등과 같은 전기적/광학적 특성이 그 물질 고유의 특성을 갖지 못하여 열화현상이 나타나게 된다.
기존의 전자빔 증착에서는 피증착 소오스(source) 물질에 고에너지를 인가하여 증발된 소오스 물질이 금속재, 유리 또는 아크릴 등의 기판에 증착될 때 증착이 용이하게 이루어질 수 있도록 기판을 결합 가능온도까지 상승시키는 것이 필요하다.
그런데 아크릴이나 유리 등의 기판을 사용하는 경우에는 기판의 온도를 상승시키는데 한계가 있으므로 가속된 고에너지의 이온빔을 기판에 충돌시켜서 기판을 활성화시키는 방법을 채택하고 있다.
이러한 이온빔 활성화 방법은 캐소드를 가열하여 발생된 열전자에 의해 불활성 가스의 일종인 Ar 가스를 여기시켜 이온화된 Ar+이 양극에 인가된 플러스 전압에 따라 반발력이 작용하여 고에너지의 이온빔이 상기한 기판을 때리도록 함에 의해 기판 표면을 여기시키고 있다.
그런데 이러한 이온빔 활성화 방법을 사용하는 경우 시간의 경과에 따라 Ar+ 이온이 기판과 충돌하여 기판이 양성화되는 현상이 발생한다. 따라서, 금속코팅을 하는 경우 가장 중요한 문제는 모재(기판)의 전기적 중화와 이온 에너지의 조절문제이다. 즉, 증착코팅시에 이온빔에 의한 모재의 양성화를 전기적으로 중화시키기 위해 음극으로부터의 전자를 모재쪽으로 이동시켜야 하나 이는 2차전류의 과류현상으로 인하여 완전한 중화가 어렵다. 종래에는 이를 해결하기 위하여 반응가스와 Ar 가스의 양을 조절하여 모재의 중화를 향상시킬 수는 있으나 이는 공정 진공도와 코팅박막의 조성비 조절에 문제가 발생하게 된다. 또한 아크릴이나 폴리머 필름과 같이 결합의 활성화를 위한 공정온도를 증가시키기 어려운 경우에는 이온빔의 에너지를 증가시켜야 하나 양극(anode)에 인가되는 애노드 전압(V1)이 도 1에 도시된 바와 같이 일정한 DC 전압이므로 시간의 경과에 따라 과열현상에 의해 DC 200V 이상의 애노드 전압 인가가 불가능한 문제가 있다.
한편 카우프만 타입(Kaufman type)의 이온총을 사용할 경우 2000eV까지 이온 에너지를 증가시키는 것이 가능하지만 이온의 전류밀도가 제한적이고 제작과 유지보수가 어려워 대량 생산용으로는 부적절하다.
이에 반하여 널리 사용되고 있는 상기한 엔드홀 타입(end Hall type)의 전자총은 전류밀도가 카우프만 타입에 비하여 약 3배 정도 크고 제작이 간단하며 이온빔의 발산성이 커서 대형장비에 적합하나 기판에 인가되는 이온의 에너지가 낮다는 단점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 노력으로 가스의 이온화율을 높이기 위해 RF코일을 적용하거나, 중화용 전자총을 따로 설치하여 모재의 중화문제를 해결하고자 하는 연구가 진행되고 있으나 이들은 장비를 복잡하게 만들고 모재의 중화문제와 이온 에너지의 증가를 동시에 해결하지는 못하였다.
따라서 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 펄스형 애노드 전압의 인가에 의해 기판(모재)을 최적상태로 중화시킴과 동시에 양극의 과열을 방지하고 고에너지 이온빔의 발생에 따라 금속, 산화물, 화합물 등을 유리 또는 저융점 물질 위에도 밀착력이 높고 광학적 특성이 우수한 박막의 코팅이 이루어질 수 있게 하는 전자빔 증착장치용 엔드홀 타입 펄스 이온빔 발생장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 종래의 펄스 이온빔 발생장치의 애노드에 인가되는 애노드 전압의 파형도,
도 2는 본 발명에 따른 전자빔 증착장치용 펄스 이온빔 발생장치의 회로 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 펄스 이온빔 발생장치의 애노드에 인가되는 애노드 전압의 파형도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 ; 이온빔 발생장치5 ; 피증착물질 소오스
10 ; 애노드20 ; 캐소드
30 ; 마그네트40 ; 기판
50 ; 챔버 그라운드60 ; 진공챔버
70 ; 스위칭 트랜지스터80 ; 펄스신호 발생장치
90 ; 애노드 파워 서플라이100 ; 트랜스포머
110,110A ; 전류계120 ; 정류부
130 ; MFC135 ; 공급관
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판에 소오스 물질을 증착시키기 위한 전자빔 증착장치의 이온빔 발생장치에 있어서, 펄스 폭 조절이 가능한 펄스 신호를 발생하기 위한 펄스신호 발생수단과, 상기 펄스신호의 인가에 따라 고압의 펄스형 전압신호를 출력하는 스위칭 트랜지스터와, 가열에 의해 열전자를 방출하기 위한 캐소드와, 상기 방출된 열전자에 의해 이온화되는 Ar 가스를 공급하기 위한 Ar 가스 공급수단과, 상기 스위칭 트랜지스터의 출력에 접속되어 펄스형 전압신호가 인가되는 제 1 기간에는 상기 열전자를 흡인하고, 이온화된 Ar 이온을 반발 가속시키기 위한 애노드로 구성되어, 상기 제 1 기간에 반발 가속된 Ar 이온에 의해 양성화된 상기 기판을 상기 펄스형 전압신호의 전압이 인가되지 않는 제 2 기간 동안 상기 방출된 열전자를 이용하여 중화시키는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착장치의 이온빔 발생장치를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 특징에 따르면, 애노드에 펄스형 전압이 인가되는 제 1 기간 동안 캐소드로부터 방출된 열전자에 의해 Ar 가스를 이온화함과 동시에 이온화된 Ar 이온을 반발 가속시켜 기판을 활성화시키는 단계와, 상기 Ar 이온에 의해 양성화된 상기 기판을 상기 펄스형 전압신호의 전압이 인가되지 않는 제 2 기간 동안 상기 방출된 열전자를 이용하여 중화시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착장치의 이온빔 발생방법을 제공한다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 애노드에 펄스형 전압을 인가함에 의해 기판을 최적의 상태로 중화시킬 수 있고 펄스파 발생장치로부터 공급되는 펄스전압의 폭을 조절함에 의해 양극의 가열을 방지한 상태에서 400eV 이상의 고에너지를 갖는 이온빔의 발생이 가능하여, 유리는 물론 아크릴과 폴리머 필름 등의 저융점 물질을 포함한 어떠한 모재에도 증착이 가능하고 분자들의 이동도 향상과 장비의 대형화를 이룰 수 있으며, 증착막은 밀착력이 높고 광학적/물리적 특성이 우수한 성질을 나타낸다.
[실시예]
이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.
첨부된 도 1은 종래의 펄스 이온빔 발생장치의 애노드에 인가되는 애노드 전압의 파형도, 도 2는 본 발명에 따른 전자빔 증착장치용 엔드홀 타입(end Hall type) 펄스 이온빔 발생장치의 회로 구성도, 도 3은 본 발명에 따른 펄스 이온빔 발생장치의 애노드에 인가되는 애노드 전압의 파형도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 펄스 이온빔 발생장치(1)는 크게 나누어 애노드(anode)(10), 가열에 의해 열전자를 방출하기 위한 캐소드(cathode)(20), 및 캐소드에서 방출된 열전자에 의해 진공실 내부로 공급된 Ar 가스와의 충돌에 의해 Ar을 이온화시키는 이온화율을 높이기 위해 열전자의 평균자유행로를 연장시키기 위한 자계를 걸어주는 마그네트(magnet)(30)를 구비하며, 챔버 그라운드(50)에 연결된 기판(substrate)(40)과 함께 진공챔버(60) 내부에 위치해 있다.
상기 이온화된 Ar+ 이온을 가속시켜 기판(40)에 충돌시키는 애노드(10)는 스위칭 트랜지스터(70)의 에미터에 접속되고, 스위칭 트랜지스터(70)의 베이스에는 500μs의 주기를 갖는 고주파 펄스신호를 인가하는 펄스신호 발생부(80)가 접속되며, 스위칭 트랜지스터(70)의 콜렉터에는 400V의 애노드 전압을 인가하기 위한 애노드 파워 서플라이(90)가 접속되어 있다.
상기 기판(40)과 챔버 그라운드(50)는 전류 제어용 저항(R10)을 통하여 애노드 파워 서플라이(90)의 (-)단자에 연결된다.
한편 상기 캐소드(20)는 AC 상용전압을 필요한 전압으로 다운시키기 위한 다운 트랜스포머(M)(100)의 2차측 양단에 연결되어 있고, 2차측 회로에는 흐르는 전류를 측정하기 위한 전류계(110)가 삽입되어 있으며, 또한 상기 다운 트랜스포머(100)의 2차측 중간탭은 전류계(110A)와, 교류를 직류로 정류하기 위한 정류부(120)와, 저항(R20)을 거쳐 상기 스위칭 트랜지스터(70)의 콜렉터에 연결된다.
한편 상기 펄스 이온빔 발생장치(1)에는 Ar 가스 봄베로부터 진공챔버(60) 내부의 전자빔 발생장치(1) 내부로 연결된 공급관(135)에는 공급되는 Ar 가스를 정량공급하기 위한 매스 플로어 콘트롤러(MFC; Mass Flow Controller)(130)가 삽입되어 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 전자빔 증착장치용 펄스 이온빔 발생장치의 작용을 도 3을 참고하여 이하에 상세하게 설명한다.
상기한 엔드홀 타입(end Hall type) 이온빔 발생장치는 이온빔의 출력직경(d)이 110mm이고, 스위칭 트랜지스터(70)에 제어신호로서 인가되는 펄스신호의 주기가 500μs이며, 이온 가속전압과 이온전류가 각각 400eV, 500mA로 설정된다.
먼저 캐소드(20)가 가열되면 이로부터 열전자가 방출되며, 스위칭 트랜지스터(70)는 베이스에 펄스신호 발생장치(80)로부터 500μs의 주기를 갖는 고주파 펄스신호가 인가됨에 따라 턴온/턴오프를 반복하게 된다. 그 결과 에미터와 연결된 애노드(10)에는 도 3에 도시된 바와 같이 400V의 크기를 갖는 펄스신호가 인가된다.
이 경우 펄스신호가 (+)400V 상태인 기간(T1)에는 상기 방출된 열전자가 애노드(10) 쪽으로 이동하게 되어 장치 내부로 주입된 Ar 가스와의 충돌이 일어난다. 따라서 중성의 Ar 원자들은 전자에 의해 여기되어 Ar+ 이온으로 이온화된다.
이 경우 이온화된 Ar+ 이온은 전자(e-)와는 반대로 애노드에 걸리는 (+)400V 전압에 의해 반발 가속을 받아서 애노드(10)와 대향하여 설치된 기판(40)과 충돌하게 되며, 그 결과 기판(40)은 활성화가 이루어진다.
또한 이때 기판(40)과 대향하여 설치된 피증착물질 소오스(5)로부터 증발된 피증착물질이 날라와 기판(40)에 증착이 이루어지게 된다.
그후 애노드(10)에 인가되는 펄스신호의 전압이 제로인 기간(T2)에는 캐소드(20)으로 방출된 열전자는 애노드(10)로 향하지 않고 Ar+ 이온의 충돌로 인하여 양성화된 기판(40)으로 향하여 양성화된 기판(40)을 중화시킨다.
이 경우 상기 애노드(10)에 인가되는 펄스신호의 인가기간(T1)을 스위칭 트랜지스터(70)의 베이스에 인가되는 제어펄스의 폭을 조절함에 의해 제어 가능하므로 기판(40)에 대한 활성화와 기판을 최적의 상태로 중화시키는 것이 쉽게 이루어질 수 있고, 또한 본 발명에 따라 애노드(10)에 인가되는 전압은 일정 주기를 갖고 인가되는 펄스파이므로 애노드(10)의 가열을 방지하면서 400eV 이상의 고에너지를 갖는 이온빔의 발생이 가능하게 된다.
상기와 같은 본 발명의 펄스 이온빔 발생장치를 구비한 전자빔 증착장치를 사용하여 광학렌즈, 전자파 차폐필터 등에 응용되고 있는 무반사 박막층을 저융점 물질인 폴리카보네이트 기판에 순차적으로 ZnO2, Al2O3, SiO2를 다중 코팅함으로써 얻을 수 있었다.
이 경우 코팅 공정조건은 초기 진공도 2×10-5Torr, Ar 가스의 유입량은 110sccm, 기판의 가열온도는 80℃로 설정한 상태에서, 이온빔의 애노드 전압을 DC 타입의 종래기술과 펄스 타입의 본 발명에 대하여 각각 180V, 350V로 인가하여 코팅을 수행하였다.
이와 같이 기판에 증착시킨 다중 코팅막의 반사율은 종래방법인 경우 0.48이나, 본 발명 방법에서는 반사율이 크게 작아진 0.35인 무반사 코팅막이 얻어졌다.
이 경우 코팅된 박막과 기판(모재)의 말착력 또한 우수한 것으로 나타나는데 이는 이온빔 에너지의 향상에 의해 박막의 밀도가 벌크(bulk)와 유사하게 된 것을 나타낸다.
상기와 같이 본 발명에서는 기판의 중화 문제를 펄스의 전압인가 폭을 조절함에 의해 해결하였고, 애노드(양극)의 과열 문제 또한 펄스파의 적용으로 해결하여 400eV 이상의 에너지를 갖는 이온빔의 발생이 가능하게 되었다.
이는 분자등의 이동도 향상은 물론 장비의 대형화를 이룩할 수 있게 되었다. 또한 유리는 물론 아크릴과 폴리머 필름 등의 저융점 물질을 포함한 어떠한 모재에도 코팅이 가능하며, 반영구적이고 우수한 광학적 전기적 특성을 갖는 거울, 전자파 차폐필터, 보안필터 등과 같은 특수한 기능성 광학제품을 생산할 수 있게 되었다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 애노드에 펄스형 전압을 인가함에 의해 기판을 최적의 상태로 중화시킬 수 있고 펄스파 발생장치로부터 공급되는 펄스전압의 폭을 조절함에 의해 양극의 가열을 방지한 상태에서 400eV 이상의 고에너지를 갖는 이온빔의 발생이 가능하여, 유리는 물론 아크릴과 폴리머 필름 등의 저융점 물질을 포함한 어떠한 모재에도 증착이 가능하고 분자들의 이동도 향상과 장비의 대형화를 이룰 수 있으며, 증착막은 밀착력이 높고 광학적/물리적 특성이 우수한 성질을 나타낸다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
Claims (2)
- 기판에 소오스 물질을 증착시키기 위한 전자빔 증착장치의 이온빔 발생장치에 있어서,펄스 폭 조절이 가능한 펄스신호를 발생하기 위한 펄스신호 발생수단과,상기 펄스신호의 인가에 따라 고압의 펄스형 전압신호를 출력하는 스위칭 트랜지스터와,가열에 의해 열전자를 방출하기 위한 캐소드와,상기 방출된 열전자에 의해 이온화되는 Ar 가스를 공급하기 위한 Ar 가스 공급수단과,상기 스위칭 트랜지스터의 출력에 접속되어 펄스형 전압신호가 인가되는 제 1 기간에는 상기 열전자를 흡인하고, 이온화된 Ar 이온을 반발 가속시키기 위한 애노드로 구성되어,상기 제 1 기간에 반발 가속된 Ar 이온에 의해 양성화된 상기 기판을 상기 펄스형 전압신호의 전압이 인가되지 않는 제 2 기간 동안 상기 방출된 열전자를 이용하여 중화시키는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착장치의 이온빔 발생장치.
- 애노드에 펄스형 전압이 인가되는 제 1 기간 동안 캐소드로부터 방출된 열전자에 의해 Ar 가스를 이온화함과 동시에 이온화된 Ar 이온을 반발 가속시켜 기판을 활성화시키는 단계와,상기 Ar 이온에 의해 양성화된 상기 기판을 상기 펄스형 전압신호의 전압이 인가되지 않는 제 2 기간 동안 상기 방출된 열전자를 이용하여 중화시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자빔 증착장치의 이온빔 발생방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019970032443A KR100336875B1 (ko) | 1997-07-12 | 1997-07-12 | 전자빔 증착장치용 펄스 이온빔 발생장치 및 그 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019970032443A KR100336875B1 (ko) | 1997-07-12 | 1997-07-12 | 전자빔 증착장치용 펄스 이온빔 발생장치 및 그 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR19980025369A true KR19980025369A (ko) | 1998-07-06 |
| KR100336875B1 KR100336875B1 (ko) | 2002-11-23 |
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ID=37479951
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1019970032443A KR100336875B1 (ko) | 1997-07-12 | 1997-07-12 | 전자빔 증착장치용 펄스 이온빔 발생장치 및 그 방법 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100336875B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101361719B1 (ko) * | 2011-12-29 | 2014-02-13 | 한국원자력연구원 | 펄스 운전을 이용한 이온빔 조사량 조절방법 |
-
1997
- 1997-07-12 KR KR1019970032443A patent/KR100336875B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101361719B1 (ko) * | 2011-12-29 | 2014-02-13 | 한국원자력연구원 | 펄스 운전을 이용한 이온빔 조사량 조절방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR100336875B1 (ko) | 2002-11-23 |
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