KR20010111013A - 플라즈마 공급원들 및 진공 코팅 장치의 플라즈마 공급원특히, 광학 기층들상에 코팅층들을 도포하기 위한플라즈마 공급원을 위한 음극 전극 - Google Patents
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Abstract
진공 코팅 장치의 플라즈마 공급원을 위한 음극 전극은, 바람직하게는 광학 기층 상에 코팅층을 도포하기 위해 재료의 에너지 밴드 사이에 바람직하게는 적어도 3 eV의 가능한한 광폭 밴드 갖는 재료로 적어도 일부가 구성된다. 이러한 경우에, 음극 전극의 광폭 밴드 갭 재료는 최적의 제1 및 제2 전자 방출을 위해 도핑되고, 질소(N) 또는 황(S)으로 도핑된 다이아몬드, 또는 보론(B)과 질소가 함께 도핑된 다이아몬드, 또는 N형 도핑 결정체인 6H-SiC 및 4H-SiC(실리콘 카바이드), 또는 BN, CN, BCN 및 다른 N형으로 도핑된 질화물, 불화물 및 산화물 뿐만 아니라 Zn, Si 또는 Zn+Si으로 도핑된 GaN, AlN 및 AlGaInN 합금들을 포함할 수 있다.
두 개의 인가된 밴드 사이의 밴드 갭이 증가함에 따라서, 제1 및 제2 전자의 방출은 적절한 에너지 공급이 가해지면 상당히 증가한다.
Description
본 출원은 2000년 6월 8일자로 출원된 스위스 출원 번호 제2000 1129/00호의 우선권을 청구하고, 이는 본 명세서의 일부로 병합된다.
본 발명은 진공 코팅 장치의 플라즈마 공급원 특히, 광학 기층들 상에 코팅층들을 도포하기 위한 음극 전극에 관한 것이다.
기층을 미리 세척하는 그리고/또는 층의 특성을 향상시키기 위한, 예로서 층을 증착코팅되도록 압착하거나 점착성을 증가시키기 위한 플라즈마 공급원은 진공에서 유리와 같은 광학 기층에 박막 시스템을 도포하는 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 이러한 종류의 진공 코팅 장치는 본출원과 동일한 출원인의 미국 특허 제4,817,559호에 설명되어 있다.
이러한 절차의 결점은 종래의 음극 전극으로 단지 보통의 전극 방출만을 달성할 수 있다는 것이다. 더욱이, 제2 전자의 방출이 최소이다. 이온 충돌은 음극을 침식하고 침식된 재료는 플라즈마 공급원의 내측을 상당히 오염시킨다. 또한, 고 수준의 음극 침식은 플라즈마 안정성과 음극의 사용 수명을 크게 감소한다.
본 발명의 목적은 플라즈마 공급원을 위한 음극 전극의 질을 효과적으로 향상시키는 것이다.
본 발명에 따르면, 이는 먼저 재료의 에너지 밴드 사이에서 적어도 3 eV 로 측정되는 바람직하게는 가능한한 광폭 밴드 갭을 갖는 재료로 음극전극의 적어도 일부를 구성함으로써 달성된다.
이는 전자 상태가 특히 외부 몸체 영역 내의 전자들이 비교적 높은 전기 전도성을 갖는 준연속 (허용) 밴드와 결합되는 것을 기초로 하는 결정형 고체에 있어서의 소위 밴드 모델에 의하여 전자 상태가 한정되는 고체 물리학의 이론을 기초로 하는데, 두 개의 허용 밴드 사이의 상기 영역, 즉 전자들이 방출되는 보유 구역은 비허용 밴드나 비허용 에너지 범위 또는 밴드 갭으로 불리워진다.
이 경우에, 음극 전극의 광폭 밴드 갭 재료는 최적의 제1 및 제2 전자 방출을 위해 도핑되는 것이 바람직하다.
이와 관련해서, 제1 (전자) 방출이나 제1 전자들은, 예로서 전장 방출(인가된 전기장에 반응한 음극으로부터 전자의 방출)을 통하거나, 열이온 방출(음극을 가열하여 열이온 전자들을 방출 하도록 하는 전자 방출)을 통하거나, 또는 열 방출(전기장이 인가되고 동시에 가열된 음극으로부터의 전자 방출)을 통하여 음극들으로부터 전자 방출을 발생시키기 위한 종래에 적용된 공정에 관련된 것이다.
더욱이, 제2 (전자) 방출이나 제2 전자들은 음극 표면으로부터의 전자들의 방출에 관한 것이고, 음극에 대한 입자 충돌에 의해 개시되며, 여기서는 플라즈마로부터의 이온 충돌을 통해 개시된다.
두 개의 허용 밴드 사이의 밴드 갭이 증가함에 따라서, 제1 및 제2 전자들의 방출은 적절한 에너지 공급이 가해지면 상당히 증가한다는 것을 알게되었다.
본 발명의 다른 실시예에서, 도핑된 다이아몬드는 음극에 대해 향상된 전자 방출을 갖는 또 하나의 재료이고, 다른 재료들로는 갈륨 질화물(GaN)이나 알루미늄 질화물(AlN), 또는 알루미늄-갈륨-인듐-질화물(AlGaInN) 합금을 포함한다. 이러한 전극들은, 예를 들어 기체 상 분리(CVD 공정), 스퍼터링 또는 에피택셜 기술을 통해 제조될 수 있다. 전극들은 직류 또는 유도 고주파를 통해 직접적으로, 그리고 제2 저항 가열(열 방사기)을 통해 간접적으로 가열될 수 있다. 그러면, 전자는 낮은 전장 방출 비율로 음극으로부터 열전기적으로 방출한다. 그러나, 전장 방출에서 음극의 작용은 양극과 음극 사이의 충분히 높은 바이어스를 인가함으로써 향상될 수 있다. 금속 산화물로 된 음극과 대비하여 볼때, 이온 충돌은 원하는 제2 전자의 향상된 방출을 생성한다.
다른 재료와 비교해서, 다이아몬드의 물리적 특성은, 아래 표에 도시된 바와같이, 평가 항목의 모든 알려진 영역에서 우수하다.
음극의 다이아몬드 재료는 종래의 음극 재료와 비교해서 제2 전자에 대한 매우 높은 방출력을 지닌다. 다이아몬드는 화학적으로 매우 안정하다. 이는 이온 충돌에 기인한 음극 침식을 줄이고, 그에 따라 플라즈마 공급원의 오염을 줄인다. 또한, 낮은 음극 침식은 플라즈마의 안정성과 함께 그 자체의 사용 수명을 효과적으로 향상시킨다. 더욱이, 다이아몬드는 높은 열 전도성을 갖고 있어서 간접 또는 직접 가열에 의해 발생된 열은 전체 음극을 빠르고 동일하게 감싼다.
양호한 실시예에서, 음극 전극은 도핑된 다이아몬드, 도핑된 GaN 또는 도핑된 AlN 또는 도핑된 AlGaInN 합금들로 적어도 일부를 구성할 수 있다.
더욱이, 음극 전극은 도핑된 다이아몬드, 도핑된 GaN 또는 도핑된 AlN, 또는 도핑된 AlGaInN 합금들을 포함하고 기체 상 분리(CVD 공정)나 스퍼터링 또는 에피택셜 기술을 통해 도포된 오버코팅층을 갖는 금속성 하부구조를 구비할 수 있고, 상기 금속성 하부구조는 바람직하게는 텅스텐(W)이나 몰리브덴(Mo) 또는 탄탈(Ta)을 포함한다.
더욱이, 본 발명은 재킷물형의 양극 전극, 외부 자기장 코일 및 음극 전극을 구비한 광학 기층 상에 코팅층을 도포하는 진공 코팅 장치의 플라즈마 공급원에 관한 것이다.
이런 경우에, 음극 전극은 적어도 일부가 재료의 에너지 밴드 사이에서 가능한한 광폭 밴드 갭을 갖는 재료로 구성되고, 상기 음극 전극의 상기 광폭 밴드 갭 재료는 최적의 제1 및 제2 전자 방출을 위해 도핑되는 것이 본 발명에 있어서 필수적이다.
여기서 음극 전극은 도핑된 다이아몬드 또는 도핑된 GaN 또는 도핑된 AlN 또는 도핑된 AlGaInN 합금들로 적어도 일부가 구성된다. 더욱이, 음극 전극은 도핑된 다이아몬드, 도핑된 GaN 또는 도핑된 AlN 또는 도핑된 AlGaInN 합금들을 포함하고 기체 상 분리(CVD 공정)나 스퍼터링 또는 에피택셜 기술을 통해 도포된 보호 코팅을 갖는 금속성 하부구조를 구비할 수 있다.
그리고, 금속성 하부구조는 바람직하게는 텅스텐(W) 또는 몰리브덴(Mo) 또는 탄탈(Ta)을 포함한다. 더욱이, 음극 전극은 원통형, 원추형, 후드 또는 돔 형태나 격자 형태의 형상을 갖을 수 있다.
본 발명의 실시예에 대한 예시들은 다음 도면에 기초해서 더 자세히 설명된다.
도1a 및 도1b는 광학 기층 상에 불루밍(blooming) 코팅을 도포하기 위한 진공 코팅 장치에 대한 플라즈마 공급원의 두 개의 다른 실시예.
도2 내지 도5는 도1에 따른 플라즈마 공급원을 위한 음극 전극의 다른 실시예.
도6은 도1에 따른 플라즈마 공급원을 위한 균일화 장치.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 음극
2 : 양극
3 : 자기장 코일
4 : 입구
5 : 쿼츠 또는 내열 세라믹
6 : 원통형 몸체
7 : 단지형 몸체
8 : 돔형 몸체
10 : 격자형 몸체
11 : 균일화 장치
도1a와 도1b는 원형 단면을 갖는 관형이나 실리더형의 양극(2)을 구비한 광학 기층들 상에 블루밍 코팅들을 도포하기 위한 진공 코팅 장치에 대한 플라즈마 공급원의 두 개의 상이한 실시예들을 도시하며, 외부 자기장 코일(솔레노이드)(3)과 함께 내부 음극(1)을 감싼다.
도1a에서, 양극(2)은 음극(1)을 직접적으로 감싼다. 반대로, 도1b에서, 음극(1)은 쿼츠나 내열 세라믹(5)으로부터 만들어진 절연 재킷에 의해 감싸여지며, 그것은 양극(2)에 접한다.
그러한 플라즈마 공급원은 비울 수 있는 수납기(도시되지 않음)에 배열된다. 이러한 경우에, 음극은 직류 전류나 유도 고주파에 의해 직접적으로, 또는 제2 저항열(방사 발열기)에 의해 간접적으로 가열될 수 있다. 그러면, 전자들은 음극 재료의 밴드의 에너지차를 극복하는 온도에 도달하자마자 음극으로부터 방출된다.
전자 방출은 주로 열전기 전자 방출이고, 작은 비율로 전장(field) 전자 방출된다. 그러나, 음극은 진공 챔버(우수한 진공)에서 충분히 낮은 압력과 양극과 음극 사이에 충분히 높은 전압을 인가함으로써 전장 방출에 또한 효과적일 수 있다.
수납기에서 플라즈마를 발생하는 방전 가스 또는 가스 혼합물은 아르곤(Ar), 네온(Ne), 헬륨(He) 등과 같은 불활성 가스(작용 가스)이다. 이런 경우에, 양극과 음극은 방전 압력 및 플라즈마의 유동을 조절하는 전압 공급원과 연결된다.
도1b에서 양극(2)의 구조적인 설계가 양으로 대전된 양극에 근접함으로써 음극(1)에 대한 양으로 대전된 이온의 직접적 충돌을 감소하기 위한 그러한 방식으로 여기서 변경된다.
자기장 코일(3)은 음극에 의해 방출된 전자들을 효과적으로 작용시키며, 그리고 이온화된 방전 가스는 상향으로 유동하여 음극으로부터 멀어지고 나선형 무늬의 운동을 따라 전자들을 운반한다.
더욱이, 입구(4)는 반응성 가스, 예로서 산소(02)나 질소(N2)를 위해 양극(2) 위에 설치되며, 반응성 가스는 이온화된 불활성 가스(작용 가스) 및 고에너지 전자와 반응한다. 이러한 강한 이온 흐름은 진공 코팅 공정동안 에피택셜 성장을 하는 층의 질(조밀성)을 향상하고 지지하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 플라즈마 출구 위의 자기장 균일화 장치(11)는 플라즈마의 균일성을 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 음극 전극은 3 eV로 측정되는 가능한한 광폭 밴드 갭을 갖는 특히, 광범위한 제1 및 제2 전자 방출을 갖는 도핑된 재료들로 적어도 일부가 구성된다.
음극을 위한 향상된 전자 방출을 갖는 그러한 재료는 예를 들어, 도핑된 다이아몬드이다. 음극의 다이아몬드 재료는 종래의 음극 재료들에 비해서 제2 전자들에 대한 고 등급의 방출력을 갖는다. 이것은 방전에 의한 음극 전압 강하가 감소되는 것을 의미하고, 이것은 장치의 전체 전력 요구를 감소시킨다. 더욱이, 다이아몬드는 화학적으로 매우 안정하다. 이는 음극 침식(이온 충돌의 결과로서 침식된 재료)과 그에 따른 플라즈마 공급원, 방출 공간, 그리고 수납기의 오염을 감소시킨다.
또한, 낮은 음극 침식은 음극의 사용 수명 및 플라즈마의 안정성을 향상시킨다. 게다가, 다이아몬드는 고 열전도성을 갖고, 그 결과 간접적 또는 직접적인 가열을 통해 발생된 열은 빠르고 균일하게 전체 음극을 감싼다.
또한, 이온 충돌에 의해 발생된 열은 전체 음극을 통해 빠르게 전달되며, 이는 전체 음극면에 대해 상당히 향상되고 균일한 전자 방출을 개시하게 한다.
전술된 바와 같이, 질소(N)나 황(S)으로 도핑된 도핑 다이아몬드는 상기 음극 전극을 위해 바람직한 재료이며, 여기서 보론(B) 및 질소(N)를 함께 도핑하는 것이 또한 가능하다. N형 도핑 결정체인 6H-SiC 및 4H-SiC(실리콘 카바이드)이거나, BN, CN, BCN 및 다른 n형으로 도핑된 질화물, 붕소화물, 산화물 뿐만 아니라 Zn, Si, 또는 Zn+Si로 도핑된 GaN, AlN, 그리고 AlGaInN 합금이 추가적으로 가능하다.
이 경우에, 음극은 도핑된 다이아몬드, 도핑된 GaN 또는 도핑된 AlN, 또는 도핑된 AlGaInN 합금등을 포함하고 예를 들어, 기체 상 분리(CVD 공정), 스퍼터링 또는 에피택셜 기술로 도포된 오버코팅층을 갖는 금속성 하부구조를 포함할 수 있고, 상기 금속성 하부구조는 바람직하게는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 또는 탄탈륨(Ta)을 포함한다.
음극 전극은 도2 내지 도5에 따라서 형태에서도 상이할 수 있으며, 즉 도2에 따른 원통형 몸체(6), 도3에 따른 단지형 몸체(7), 도4에 따른 돔형 몸체(8), 또는도5에 따른 봉들(9)로 구성된 격자(10)형이 될 수 있다. 여기서 음극은 양극에 동일한 축상(도1a 및 도1b)으로 배열된다. 전술된 바와 같이, 여기서 음극은, 예로서 코일감긴 철사로 된 프레임의 형태로 금속성 하부구조를 포함할 수 있다.
더욱이, 도6은 도1a/도1b에서 전에 도시된 균일화 장치(11)를 더욱 상세히 도시하며, 이는 플라즈마 공급원과 코팅되는 기층(도시되지 않음) 사이에 위치된다. 이 경우에, 강한 자기장은 플라즈마 빔(beam)을 감싸는 다극 역 형상으로 자석들을 배열함으로써 달성된다. 이 경우에, 예를 들어, 자기장에 대하여 시계방향으로 회전하는 1 m/s의 이온 속도는 410 mT의 힘을 갖는 자기장 및 1 eV의 전자 온도가 주어진 SmCo 자석들에 의해서 발생될 수 있다.
이런 장치는 직경이 대략 22cm로 측정되는 균일화 장치를 위해 30개의 상기 SmCo 자석들을 포함할 수 있다.
상기 구성에 의해, 음극 전극은 에너지 밴드 사이에 적어도 3 eV의 광폭 밴드 갭을 갖는 재료로 구성되어 플라즈마 공급원을 위한 음극 전극의 질을 향상시킨다.
Claims (11)
- 광학 기층 상에 코팅층을 도포하는 진공 코팅 장치의 플라즈마 공급원들을 위한 음극 전극에 있어서,상기 음극 전극은 재료의 에너지 밴드 사이에서 가능한한 적어도 3 eV의 광폭 밴드 갭을 갖는 재료로 적어도 일부가 구성되는 것을 특징으로 하는 음극 전극.
- 제1항에 있어서, 상기 음극 전극의 상기 광폭 밴드 갭 재료는 최적의 제1 및 제2 전자 방출을 위해 도핑되는 것을 특징으로 하는 음극 전극.
- 제2항에 있어서, 상기 음극 전극의 상기 광폭 밴드 갭 재료는 적어도 일부가 도핑된 다이아몬드, 도핑된 GaN 또는 도핑된 AlN, 또는 도핑된 AlGaInN 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 음극 전극.
- 제3항에 있어서, 상기 음극 전극을 위한 광폭 밴드 갭 재료는 질소(N) 또는 황(S)이 도핑된 다이아몬드이거나, 보론(B)과 질소(N)가 함께 도핑된 다이아몬드이거나, N형 도핑 결정체인 6H-SiC 및 4H-SiC(실리콘 카바이드)이거나, BN, CN, BCN 및 다른 n형으로 도핑된 질화물, 붕소화물, 산화물 뿐만 아니라 Zn,Si 또는 Zn+Si로 도핑된 GaN, AlN, 그리고 GaInN 합금인 것을 특징으로 하는 음극 전극.
- 제4항에 있어서, 도핑된 다이아몬드, 도핑된 GaN 또는 도핑된 AlN, 또는 도핑된 AlGaInN 합금 등을 포함하고 기체 상 분리(CVD 공정), 스퍼터링 또는 에피택셜 기술로 도포된 오버코팅층을 갖는 금속성 하부구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극 전극.
- 제5항에 있어서, 상기 금속성 하부구조는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 또는 탄탈륨(Ta)을 포함하는 것을 특징으로 하는 음극 전극.
- 재킷형의 양극 전극과 외부 자기장 코일과 음극 전극을 갖는 특히, 광학 기층 상에 코팅층의 도포를 위한 진공 코팅 장치의 플라즈마 공급원에 있어서,음극 전극은 적어도 일부가 재료의 에너지 밴드 사이에서 가능한한 광폭 밴드 갭을 갖는 재료로 구성되고, 상기 음극 전극의 상기 광폭 밴드 갭 재료는 최적의 제1 및 제2 전자 방출을 위해 도핑되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공급원.
- 제7항에 있어서, 상기 음극 전극은 적어도 일부가 도핑된 다이아몬드, 도핑된 GaN 또는 도핑된 AlN, 또는 도핑된 AlGaInN 합금들을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공급원.
- 제8항에 있어서, 상기 음극 전극은 도핑된 다이아몬드, 도핑된 GaN 또는 도핑된 AlN, 또는 도핑된 AlGaInN 합금들을 포함하고 기체 상 분리(CVD 공정), 스퍼터링 또는 에피택셜 기술에 의해 도포된 오버코팅층을 갖는 금속성 하부구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공급원.
- 제9항에 있어서, 상기 금속성 하부구조는 바람직하게는 텅스텐(W) 또는 몰리브덴(Mo) 또는 탄탈륨(Ta)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공급원.
- 제9항에 있어서, 상기 음극 전극은 원통형, 원추형, 단지형, 후드 또는 돔형, 또는 격자형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 공급원.
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