KR19980032329A - 간섭층 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반응성 스퍼터링 공정을 사용하여 기판에 금속 산화물 층을 스퍼터링에 의해 유도 침착시키는 방법에 있어서, 스퍼터링할 스퍼터링 타겟상에 작용하는 플라스마 방전은 플라스마 반응영역에 배치된 서로 인접한 2개 이상의 전극에 의해, 피복시킬 기판에 침착되는 금속 산화물 층이 4m/s 이상의 층의 성장 속도로 침착되도록 하는 방식으로 선택되는 전력이 공급되며, 이때 피복공정시 피복되는 기판이 스퍼터링 시킬 타겟물질과 관련하여 고정되어 배치되는 방법으로 제조되는 광학활성층 시스템을 제공한다.

Description

간섭층 시스템
본 발명은 청구의 범위 제 1 항 또는 제 2 항에 따라 반응성 스퍼터링 공정을 사용하여 기판에 금속 산화물 층을 스퍼터링 침착시키기 위한 방법 및 이 방법에 따라 제조되는 청구의 범위 제 5 항에 따른 층 시스템에 관한 것이다.
종류에 따른 제조방법 및 당해 방법에 따라 제조되는, 단일 층으로 이루어진 층 시스템은 공지되어 있다. 예를 들어 DE 제41 06 770호에는 스퍼터링 장치에 의해 기판을 음극 스퍼터링에 의해, 바람직하게는 마그네트론 음극 스퍼터링에 의해 피복시키는 것이 기재되어 있는데, 이때 2개의 전극 사이에 형성되는 플라스마 운부의 작용 타겟이 사용되고, 기판상에서 화학적 결합을 형성하는 반응성 기체에 대해 상용성을 나타내는 스퍼터링된 타겟물질이 침착된다. 공지된 스퍼터링 방법에 있어서, 예를 들어 전극 및 기판인 타겟은 전력공급 장치의 두 유출부와 전기적으로 연결되는 전극을 나타낸다. 또한, 양극 및 음극으로서 교대로 변경되어 스위칭되는 소위 이중전극도 사용된다. 전력은 예를 들어 DE-OS 제38 02 852호에 기술된 바와 같이 직류 또는 교류로서 전극에 인가된다.
예를 들어 SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2및 ZnO2의 유전층을 침착시키기 위해, 스퍼터링할 타겟은 앞서 언급한 결합에 존재하는 상응하는 금속성분으로 이루어지며, 이때 금속성분에서, 예를 들어 이온화된 Ar/O2혼합물 또는 Ar/N2혼합물로 이루어진 플라스마 운무가 금속 타겟물질상에 스퍼터링 작용한다.
종류에 따른 스퍼터링 방법을 수행함에 있어서 오래 동안 공지되어 온 문제점은 균일하고 규칙적으로 수득되는, 산업적 용도로 제조될 수 있는 광학적으로 고품질의 층을 처리하는데 있다. 따라서, 예를 들어 DC-스퍼터링 방식에 의해 유리 표면상에 및 광학적 구성요소상에 침착되는, 예를 들어 SiO2, Al2O3, 또는 TiO2와 같은 유전층은 층에 작용하는 공기중의 습도와 같은 환경적인 영향에 대해 목적하는 바와 같은 내구성을 나타내지 않는 것으로 입증되었다. DC-스퍼터링 방식에 의해 구현되는 스퍼터링 기술 및 피복기술은 미미한 스퍼터링 속도로 인해 불리하게도 비용이 집중되는 피복시간이 길어지는 반면, 피복공정을 한정하는 공정변수를 안정하게 유지해야 한다. 추가로 통상적인 스퍼터링 방법하에 제조되는 층 시스템의 광학 특성은 점차로 증대되는 요건을 더이상 충족시키지 못하고 있는 것으로 입증되었다.
본 발명의 과제는 반응성 스퍼터링 공정을 사용하여 스퍼터링에 의해 유도되는 기판에의 금속 산화물 층을 제조하는 것으로서 광학적 품질이 높은 금속 산화물 층을 재생가능하고 비용면에서 산업적으로 유리한 방식으로 제조할 수 있고 처리할 수 있는 것을 제공하는 것이다.
이러한 과제는 본 발명에 따라 청구의 범위 제 1 항의 전제부에서 언급한 종류의 방법에 있어서, 스퍼터링할 스퍼터링 타겟상에 작용하는 플라스마 방전은 플라스마 반응영역에 배치된 서로 인접한 2개 이상의 전극에 의해, 피복시킬 기판에 침착되는 산화물 층이 4m/s를 초과하는 층의 성장 속도로 침착되도록 하는 방식으로 선택되는 전력이 공급되며, 이때 피복공정시 피복되는 기판이 스퍼터링시킬 타겟물질과 관련하여 고정되어 배치되는 것에 의해 해결된다. 피복공정시 스퍼터링 타겟물질을 따라 전방에서 처리되는 기판을 위해 청구의 범위 제 2 항에서 제안하는 바와 같이 층 성장 속도는 40nm m/min를 넘는 것이 제안된다. 청구의 범위 제 1 항 및 제 2 항의 특징적인 방법에 따라 제조되는 금속 산화물 층은 통상적으로 스퍼터링된 금속 산화물 층에 비해 놀랍게도 다수의 이점을 나타낸다. 따라서 본 발명에 따라 제조되는 TiO2층은 층의 굴절률 n이 2.55 내지 2.60인 것이 확인되었다. 통상적인 DC-기술에 의해 단지 n에 대한 값이 2.35 내지 2.45인 것을 수득할 수 있다. 굴절률값 n이 더욱 높은 금속 산화물 층에 대해 굴절률에 따른 작용을 수득하기 위해 통상적인 금속 산화물 층에 비해 더욱 얇게 제조할 수 있다. 더욱 얇게 제조되는 금속 산화물 층은 가시광선 스펙트럼 영역에서 광 투과도가 높고 색채 중화도가 높은 것을 나타낸다. 얇은 금속 산화물 층은 통상적인 두꺼운 금속 산화물 층 보다 비용상 유리하게 제조될 수 있다.
본 발명에 따라 제조되는 층은 청구의 범위 제 5 항에서 나타내는 바와 같이 매우 매끄러운 표면을 나타낸다. 본 발명에 따라 제조되는 금속 산화물 층의 표면 형태학적 구조는 매우 압축된 결정 형상을 나타내는데, 이는 반응성 화학물질에 대한 높은 내구성을 보유한다. 본 발명에 따라 제조되는 금속 산화물 층은 통상적인 층, 예를 들어 DC-플라스마 방전에 의해 제조되는 스퍼터링 층보다 습기의 작용에 대해 더욱 저항성이 있다. 추가로 교류전압으로 구동되는 스퍼터링 플라스마를 사용함에 있어서 피복되는 TiO2-층은 주로 루틸-구조로 결정화되는 것으로 입증되었다. DC-스퍼터링에 있어서 특히 형성되는 TiO2-층의 아나타스-구조와는 반대로 루틸 구조는 1855℃까지 온도 안정성을 나타내고, 이에 비해 아나타스-구조는 642℃의 온도에서 상 전환이 일어나고 안정하지 않은 구조를 나타낸다. 또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서 동일한 플라스마 전력시 수득되는 최대의 스퍼터링 속도가 통상적인 DC-스퍼터링 방법의 경우보다 약 6 내지 7배 높은 것으로 입증되었다.
본 발명에 따라 제조되는 금속 산화물 층은 개선된 저-방출 층 시스템을 제조하기 위해 및 소위 광학적 특성이 개선된 태양-조절 층을 위해 사용될 수 있다. 저-방출 층에 대해서는 유리하게 적당한 가격의 티탄-타겟물질에 의해 타겟물질로서 주석을 사용하지 않는 가능성을 제공한다. 스퍼터링 방법에 의해 제조되는 SnO2-층은 상이 성장하는 동안 불리하게 섬(島)을 형성하는 경향이 있기 때문에, TiO2-층에 의해 SnO2-층을 대체하는 것이 바람직하다. 저-방출-층 시스템에 있어서 기판에 직접 피복되는 기본층은 본 발명에 따라 매끄럽고 압축된 구조의 평면을 나타내며, 당해 평면상에서 예를 들어 은 또는 금 층과 같은 본래의 저-방출-층이 피복된다. 본 발명에 따라 제조되는 기본 층 표면의 형태는 유리하게 높은 전도율 및 낮은 k값을 나타내는 피복된 금속층의 형성을 유리하게 한다.
본 발명에 따른 층을 제조하기 위해 스퍼터링 플라스마를 제공하는 교류전류의 교류 주파수가 청구의 범위 제 8 항에 나타낸 바와 같이 10kHz 내지 80kHz에서 선택되는 것이 유리한 것으로 입증되었다.
추가로 유리한 방법상의 특징 및 본 발명에 따른 금속 산화물 층의 사용 가능성은 하기에서 더욱 상세하게 구체화한다.
본 발명은 상이한 실시양태상의 가능성을 포함한다. 다수의 특히 유리한 실시양태는 도면에 도시하고 이후 상세히 기술한다.
도 1a는 종래의 기술에 따라 제조되는 TiO2-층중 표면을 주사 전자 현미경에 의한 REM-형상을 나타낸다.
도 1b는 도 1a의 TiO2-층 형상의 확대도이다.
도 2는 도 1a 및 1b에 나타낸 TiO2-층의 X선 회절 스펙트럼이다.
도 3a는 동적 피복속도 21nm m/min 및 정상표면에 대한 관찰 각도 60°로 피복되는 TiO2-층의 REM-사진을 나타낸다.
도 3b는 도 3a에 나타낸 TiO2-층의 횡단면의 REM-사진을 나타낸다.
도 4는 도 3a 및 3b에서 촬영된 TiO2-층의 X선 회절 스펙트럼이다.
도 5a는 피복속도 37nm m/min로 피복되는 TiO2-층의 REM-사진을 나타낸다.
도 5b는 도 5a에서 촬영된 TiO2-층의 횡단면의 REM-사진을 나타낸다.
도 6은 도 5a 및 5b에서 촬영된 TiO2-층의 X선 회절 스펙트럼이다.
도 7a는 반응성 스퍼터링에 의해 층의 성장 속도 49nm m/min로 피복되는 TiO2-층의 REM-사진을 나타낸다.
도 7b는 도 7a에서 촬영된 TiO2-층의 REM-층 횡단면 사진을 나타낸다.
도 8은 도 7a 및 7b에 나타낸 TiO2-층의 X선 회절 스펙트럼이다.
도 9는 DC-고전력 음극의 특성곡선을 나타낸다.
도 10은 이중 마그네트론 음극의 특성곡선을 나타낸다.
도 11은 본 발명에 따른 스퍼터링 방법에 대한 탐침전압의 함수로서 측정되는 전력 진행상태 및 스퍼터링 속도를 나타낸다.
통상적인 DC-스퍼터링 방법에 의해 제조되는 TiO2-층(4, 6)은 도 1a 및 1b에서 상이한 배율의 REM-사진으로 나타내었다. TiO2-층은 Si-웨이퍼(2)에 피복되고 층의 두께는 약 500nm를 나타낸다. Ar/O2-혼합물을 가하여 반응성 DC-마그네트론 스퍼터링에 의해 성장하는 TiO2-층(4, 6)은 몇몇 산 형태의 미소 결정으로 이루어지는데, 당해 미소결정은 사실상 기판상에서 서로 평행하게 배치된다. TiO2-층(4, 6)의 표면은 명백한 표면 거칠기를 나타낸다. 도 1a 및 1b에서 나타낸 TiO2-층(4, 6)의 X선 결정 그래프 분석은 디바이-쉐러-다이아그램으로서 도 2에 나타낸다. 다이아그램 2에 제공된 굴절반사 A1, A2및 A3은 TiO2의 아나타스-구조를 특성화하는 것이다. 따라서 반사 A1은 아나타스 101을, 반사 A2는 아나타스 004를 그리고 반사 A3은 아나타스 112구조로 배치되고 브라그의 반사조건을 충족시키는 격자 바둑무늬 평면을 나타낸다.
본 발명에 따라 제안되는 바와 같이 피복속도 21nm m/sec에서 반응성 스퍼터링 방법에 의해 제조되는 TiO2-층은 도 3a 및 3b에 촬영되어 있다. 두께가 약 50nm인 TiO2-층(14)(참조 도 3b)은 도 1b에 나타낸 층 구조에 비해 단지 약하게 형성되고 국부적으로 한정된 기둥형태의 목적하는 TiO2-미소결정을 나타낸다. 도 3a에 나타낸 표면(16)은 단지 미미한 거칠기를 지닌 산발적인 표면영역을 나타낸다. 도 3a 및 3b에 나타낸 TiO2-층(14)의 결정성 혼합물은 유리기판에 피복되는 것으로서 디바이-쉐러-다이아그램(도 4)으로부터 제공되며, 이는 공지된 아나타스 101-구조(A1) 이외에 루틸-구조로 결정화된 TiO2-층의 110격자 바둑무늬 영역에 브라그-반사를 형성하는 굴절반사 R1을 제공한다. 동시에 루틸-구조는 도 3a에 나타낸 표면 거칠기가 미미한 영역에 상응하고, 이에 반해 아나타스 110-구조는 도 3a에 나타낸 섬 형성에 상응한다.
유리기판에 피복속도 37nm m/min로 피복되는 TiO2-층(24, 26)은 도 5a에 나타나 있다. 도 3a 및 1a에 나타낸 TiO2-표면(14, 4, 6)에 비해 높은 피복속도에서 여전히 산발적인 미소결정성 섬 형성부를 나타낸다. 미소결정성 섬 구조에 상응하는 기둥형성은 도 5b에 나타낸 횡단면도에는 더이상 제공되지 않았다. 이러한 결과는 관련된 X선 회절 스펙트럼에 의해서도 확인된다(참조 도 6). 따라서, 관련되는 I(2Θ)-다이아그램에서 루틸 110-구조는 경합하는 아나타스 101-구조에 비해 분명하게 제공된다.
여전히 강하게 나타나는 루틸-구조는 도 7a 및 7b에서 파악될 수 있다. 두께가 약 500nm인 TiO2-층은 유리기판에 피복되는 것으로서 도 8에서 관련된 X선 굴절 스펙트럼으로부터 단독으로 나타나는 루틸 110-반사에 의해 유도되는 바와 같이 거의 완전히 루틸구조로서 이루어진다. 층 성장속도 49nm m/min로 피복되는 TiO2-층의 표면(36)은 거의 균일하게 나타나고 단지 산발적인 섬 형성부(38)를 나타낸다. 기둥의 형성하에 성장하는 아나타스-구조의 미소결정은 도 7b에 나타낸 층의 횡단면에서는 더이상 파악되지 않는다.
종래의 기술로부터 사용되는 반응성 스퍼터링 방법과 본 발명에 따라 제안되는 스퍼터링 방법 사이의 실질적인 차이는 관련되는 DC-스퍼터링 방법(참조 도 9) 및 AC-스퍼터링 방법(참조 도 10)의 음극 특성곡선의 진행상태를 비교함으로써 제공된다. 도 9는 직류 전류가 공급되는 고전력 음극의 특성곡선을 나타내며, 여기서 티탄-타겟물질이 집적된다. 스퍼터링 챔버에서의 전체 압력은 플라스마 반응 영역에 유입되는 O2-기체의 양 M의 함수로서 나타낸다. p(M)-특성곡선은 조작지점 M1과 M2사이에서 자기이력 매듭을 나타낸다. 조작지점 M과 M 사이의 진행영역에서 DC-음극에 대한 2개의 스퍼터링 상태가 가능하고, 즉 경로 W1로 진행하는 금속성 스퍼터링 상태 및 W2방향으로 자기이력 매듭의 통과경로가 제공되는 산화 스퍼터링 상태가 가능하다. 조작지점 M1과 M2사이의 진행영역에서 직류가 공급되는 음극은 한 방식으로부터 다른 방식으로 조절이 불가능하게 비약한다. 유효한 금속 산화물 층을 수득하기 위한 안정한 스퍼터링 조건은 도 9에 나타낸 p(M)-특성곡선의 자기이력 매듭의 진행영역이 넓기 때문에 단지 비용이 드는 공정 조절장치를 사용하여 조절할 수 있다. 직류가 공급되는 고전력 음극을 사용하여 스퍼터링의 최대속도를 수득하기 위해 스퍼터링 작동시점으로서 영역 M1에서 산소 유입량에 대한 값을 구하며, 당해 값에서 금속 산화물 층은 산성 방식으로 제조될 수 있다.
도 10은 본 발명에 따라 구동되는, 교류가 공급되는 고전력 마그네트론 음극을 사용하는 특성곡선을 나타낸다. 이 다이아그램은 조작지점 M3과 M4사이에 존재하는 진행영역의 폭이 단지 10sccm이고 이를 위해 통상적인 스퍼터링 방법의 경우보다 요인(7)이 더욱 좁아지는 것을 분명히 나타낸다(참조 도 9).
도 11은 본 발명에 따른 스퍼터링 방법에 대해 일정한 산소 유입량 120sccm에서 탐침 전압(Us)의 함수로서 계산된 스퍼터링 속도(Ysp) 및 음극전력(L)을 나타낸다. 측정방법에 상응하여 스퍼터링 챔버중 미미한 산소분획은 높은 탐침전압(Us)에 상응한다. 탐침전압(Us)이 높을수록 금속성의 가연된 음극이 관측되어야 한다. 산소의 양이 저하되면서 유리하게 스퍼터링 속도가 상승하고 음극전력이 규칙적으로 저하된다(참조 곡선 진행상태 A). 스퍼터링 공정을 규칙적으로 하기 위해 자동 제어계에 배치되는 IST-크기로서 탐침 전압(Us)을 공급하는 산소 센서를 사용한다. 도 11로부터 유도되는 바와 같이 상승하는 스퍼터링 속도(Ysp)는 미미한 음극전력(L)으로 실현된다. 이에 의해 본 발명에 따른 스퍼터링 장치의 경제성은 현저히 높아진다.
본 발명으로 광학적 품질이 높은 금속 산화물 층을 재생가능하고 비용면에서 산업적으로 유리한 방식으로 제조할 수 있고 처리할 수 있다.

Claims (8)

  1. 반응성 스퍼터링 공정을 사용하여 기판에 금속 산화물 층을 스퍼터링에 의해 유도 침착시키는 방법에 있어서, 스퍼터링할 스퍼터링 타겟상에 작용하는 플라스마 방전은 플라스마 반응영역에 배치된 서로 인접한 2개 이상의 전극에 의해 피복시킬 기판에 침착되는 금속 산화물 층이 4m/s 이상의 층의 성장 속도로 침착되도록 하는 방식으로 선택되는 전력이 공급되며, 이때 피복공정시 피복되는 기판이 스퍼터링시킬 타겟물질과 관련하여 고정되어 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 반응성 스퍼터링 공정을 사용하여 기판에 금속 산화물 층을 스퍼터링에 의해 유도 침착시키는 방법에 있어서, 피복시킬 기판에 침착되는 산화물 층이 층 성장 속도 40nm m/min 이상으로 침착되고, 이때 피복시킬 기판이 스퍼터링되는 타겟물질을 따라 전방에서 처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 교류전류 공급원의 유출부를 갖는 전극이 전기 유도되도록 연결되고, 이때 플라스마 방전 전기 공급을 위한 교류전압의 교류 주파수가 10kHz 내지 80kHz에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 금속 산화물 층으로서 TiO2-층 또는 SiO2-층이 침착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 기판표면에 배치되고 층의 순서가 각각 저굴절 및 고굴절 물질로 이루어진 단일층을 나타내고, 이때 몇몇 산화층이 피복시킬 기판표면상에서 스퍼터링 유도되고, 진공챔버 속에서 수행되는 스퍼터링 공정 및 침착공정으로 침착되고, 스퍼터링 플라스마가 플라스마 전극에 교류전압을 공급하는 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조되는 광학 활성 층 시스템에 있어서, 산화물 층의 주요부분이 루틸 구조를 나타내는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 금속 산화물 층이 4nm/s를 초과하는 침착속도로 스퍼터링 음극과 관련하여 정적으로 배치된 타겟물질상에 침착되는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서, 산화물 층으로서 SiO2-층이 스퍼터링 음극과 관련하여 정적으로, 바람직하게는 공간상 고정되어 배치된 기판에 5nm/s를 초과하는 침착속도로 침착되는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서, 스퍼터링 음극에 공급되는 교류전류의 교류 주파수가 10kHz 내지 80kHz에 이르는 것을 특징으로 하는 층 시스템.
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