KR20080016642A - 기판 코팅장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 물리기상증착을 이용하여 기판을 코팅하는 장치에 관한 것으로서, 코일내의 가변 전류를 이용하여 전도성 재료(10)를 공중부양 상태로 유지하고, 상기 재료를 가열 및 증발시키기 위한 코일(1)이 위치되며, 상기 코일을 공중부양된 재료로부터 격리시키기 위한 수단(3)이 상기 코일내에 위치되는 진공 챔버를 포함하며, 본 발명에 따르면, 상기 격리 수단은 비전도성 재료로 제조된 용기(2)의 일부이며, 상기 용기는 증발된 전도성 재료를 코팅되는 기판으로 안내하기 위한 하나 또는 그 이상의 개구부(5)를 가지며, 또한 본 발명은 물리기상증착을 이용하여 기판을 코팅하는 방법에 관한 것이다.

Description

기판 코팅장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR COATING A SUBSTRATE}
본 발명은 코일내의 가변 전류를 이용하여 전도성 재료를 공중부양 상태로 유지하고, 재료를 가열 및 증발시키기 위한 코일이 위치되며, 상기 코일을 공중부양된 재료로부터 격리시키기 위한 수단이 상기 코일내에 위치되는 진공 챔버를 포함하는 물리기상증착을 이용하여 기판을 코팅하는 장치에 관한 것이다. 또한 본 발명은 물리기상증착을 이용하여 기판을 코팅하는 방법에 관한 것이다.
전도성 재료의 공중부양(levitation) 및 증발은 WO 03/071000 A1호로부터 알려져 있다. 이 문헌의 기술은 증기상(vapour phase)으로부터 응축된 전도성 재료층으로 진공 챔버내의 기판을 코팅하는 것에 관한 것이다. 전도성 재료는 가변 전류가 공급되는 코일 위에 부유상태로 유지된다. 이 전류로 인해, 교류 전자기장이 코일내에 생성된다. 전자기장은 전도성 재료상에 상방향의 힘을 부여한다. 또한, 전류는 공중부양된 전도성 재료를 가열하기 위한 전기에너지를 제공하여, 전도성 재료를 용융시키고 결국 증발시킨다; 그러나, 일부 전도성 재료는 용융되지 않고 승화된다. 코일과 공중부양된 재료 사이의 튜브 또는 덕트와 같은 전기 격리 수단은 코일의 권선 사이의 아크발생을 방지하고, 코일과 진공 챔버의 오염을 방지하기 위해 존재한다. 생성된 증기는 덕트의 단부를 통해 방출되며 기판을 코팅하는데 이용된다.
전술한 장치는 기판상의 코팅층을 제어하는 것이 어렵다는 결점을 가진다. 특히, 장치가 진공 챔버를 통과하는 스트립을 연속적으로 코팅하는데 이용되는 경우, 스트립 폭 전체에 걸쳐 균일한 두께와 조성을 갖는 코팅층을 제조하는 것이 어렵다.
이 결점을 해소하기 위해, WO 02/06558 A1호는 스트립이 이송될 수 있고, 하나 또는 그 이상의 리스트릭션(restriction)을 갖는 덕트에 의해 증기가 스트립으로 이송되어 증기가 쵸킹(choking) 조건하에서 피착될 수 있는 진공 챔버를 제공한다. 이 문헌은 동시에 2개의 증기를 피착시키기 위한 공정을 제공하지만, 이 공정은 단지 하나의 증기에 대해 이용될 수 있다. 이 방식에 있어서, 다수의 개구부가 리스트릭션내에 이용되고 덕트가 넓은 경우 균일한 코팅이 스트립상에 부착될 수 있다.
그러나, 이 방법을 이용하여 부착된 코팅의 결점은 기판으로의 코팅의 접착이 최적이지 않다. 다른 결점은 코팅의 밀도가 최적이지 않다. 따라서 이 방법은 코팅된 기판을 스트립에 대한 압연(rolling)과 같은 추가 처리 단계를 적용할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 기판상에 개선된 코팅이 제조될 수 있도록 물리기상증착을 이용하여 기판을 코팅하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 향상된 접착 및 밀도를 갖는 코팅 재료층이 기판상에 제조될 수 있는 물리기상증착을 이용하여 기판을 코팅하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
이들 목적의 하나 또는 그 이상은 코일내의 가변 전류를 이용하여 전도성 재료를 공중부양 상태로 유지하고, 상기 재료를 가열 및 증발시키기 위한 코일이 위치되며, 상기 코일을 공중부양된 재료로부터 격리시키기 위한 수단이 상기 코일내에 위치되는 진공 챔버를 포함하며, 상기 격리 수단은 비전도성 재료로 제조된 용기의 일부이며, 상기 용기는 증발된 전도성 재료를 코팅되는 기판으로 안내하기 위한 하나 또는 그 이상의 개구부를 갖는 물리기상증착을 이용하여 기판을 코팅하는 장치로 달성된다.
이 장치로, 용기 내측의 압력이 용기 외측의 진공 챔버내의 압력 보다 더 높도록 증발된 재료를 함유하는 것이 가능하다. 놀랍게도, 용기 내측의 높은 압력은 용기내에 플라즈마를 생성시킬 수 있고, 가스는 원자, 이온, 라디칼(radical) 및 전자를 포함하고 부분적으로 이온화된 증발 재료로 구성된다는 것을 발견하였다. 플라즈마는 WO 03/071000 A1에서 언급된 바와 같은 가변 전류의 주파수, 예컨대 플라즈마를 생성시키기 위한 공지의 주파수 보다 매우 낮은 50 kHz 이상의 주파수에서 생성된다. 플라즈마의 일부는 개구부를 통해 안내되고, 코팅되는 기판은 개구부의 앞에 위치된다. 이온이 대전되는 사실에 의해, 코팅이 기판으로의 우수한 접착을 가지며, 코팅이 더욱 조밀(dense)하게 된다. 용기는 이온이 전기 전도성 벽과 접촉할 때 원자화되기 때문에 비전도성 재료로 제조된다.
바람직하게는, 용기는 양 단부가 시일되고, 시일내에 하나 또는 그 이상의 개구부가 존재하는 덕트 형태를 가진다. 이 방식에 있어서, 간단한 형태의 용기가 제공되며, 플라즈마는 용기내에 함유되고 사용 동안 기판을 코팅하기 위해 개구부를 통해 부분적으로 방출된다.
바람직한 실시예에 따르면, 용기는 일단이 시일되고 타탄이 박스형 돌기부(protuberance)를 갖는 덕트 형태를 가지며, 상기 돌기부는 다수의 개구부를 갖는다. 이 바람직한 실시예는 박스형 돌기부가 실질적으로 코팅되는 기판 형상인 표면을 가질 수 있어 표면과 기판 사이에 동동한 간격이 얻어지기 때문에 스트립을 코팅하는데 매우 적합하다. 이는 균일한 코팅을 기판상에 제공한다.
바람직하게는, 돌기부는 코팅되는 기판과 적어도 같은 폭이다. 이는 스트립형 재료가 코팅될 때, 재료가 진공 챔버를 통해 이송되는 적어도 수백 미터의 길이를 갖기 때문에 매우 중요하다. 스트립은 종이, 금속, 플라스틱 또는 다른 재료로 제조될 수 있다. 본 실시예의 용기로, 스트립형 재료는 그의 전체 폭에 걸쳐 코팅될 수 있다.
바람직하게는, 개구부는 구멍 또는 슬릿 형태를 가진다. 따라서, 플라즈마는 효과적인 방식으로 방출될 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 용기에는 용기를 가열하기 위한 가열수단이 구비되어 있다. 용기는 증기 및 플라즈마가 찬 벽에 응축될 수 있기 때문에 가열되어야만 한다.
바람직하게는, 용기에는 몰리브덴 또는 텅스텐의 저항 와이어와 같은 전도성 재료로 제조된 가열소자(heating element)가 설치되어 있다. 이 방식으로, 전기적으로 비전도성 용기를 가열하기 위해 비교적 간단한 가열소자가 설치된다.
바람직한 실시예에 따르면, 용기는 질화붕소(boron nitride) 또는 질화규소(silicon nitride)와 같은 세라믹 재료로 제조된다. 세라믹 재료는 장치가 고온 및 높은 열충격 또는 응력을 받는 조건에 대해 매우 적합하다. 더욱이, 세라믹 재료는 높은 열전도성을 가진다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 진공 챔버내의 코일을 이용하여 전도성 재료를 공중부양 상태로 유지하고, 상기 재료를 가열 및 증발시키고, 가변 전류가 상기 코일내에 존재하며, 격리 수단이 상기 코일과 공중부양된 재료 사이에 위치하고, 상기 격리수단은 가열되는 비전도성 재료로 제조된 용기의 일부이며, 상기 용기는 증발된 전도성 재료를 코팅되는 기판으로 안내하기 위한 하나 또는 그 이상의 개구부를 가지며, 증발된 재료는 상기 용기 내측에 플라즈마를 형성하고, 플라즈마는 기판을 코팅하도록 용기내의 개구부를 통해 방출되는 물리기상증착을 이용하여 기판을 코팅하는 방법을 제공한다.
이 방법은 용기내에 전술한 바와 같은 이점을 갖는 플라즈마를 제공한다.
바람직하게는, 용기는 공중부양된 재료의 온도와 동일하거나 더 높은 온도로 가열된다. 이 방식으로, 증기 또는 플라즈마는 용기의 벽에 응축되지 않는다.
바람직한 실시예에 따르면, 용기내의 플라즈마는 10-1 내지 10-5 mbar, 바람직하게는 10-2 내지 10-4 mbar의 압력을 가진다. 10-5 mbar 이상, 바람직하게는 10-4 mbar 이상의 압력에서 플라즈마가 용기내에 생성될 것이며, 이 플라즈마는 압력이 너무 높게 되지 않는 동안 유지되므로, 10-1 mbar, 바람직하게는 10-2 mbar 이상은 불가하다. 압력은 증발되는 전도성 재료의 형태, 공중부양된 전도성 재료의 온도, 용기의 크기 및 용기내의 개구부에 의존하는 것은 명확하다. 더욱이, 진공 챔버내의 용기 외측의 압력은 플라즈마의 압력 보다 더 낮아야 하며, 따라서 플라즈마가 용기내의 개구부를 통해 방출될 수 있다는 것은 명확하다. 바람직하게는, 진공챔버내의 압력은 진공 챔버내의 압력 보다 10 내지 1000배 미만, 더욱 바람직하게는 대략 100배 미만이다.
실시예에 따르면, 코팅된 기판은 용기에 대해 연속적으로 이송되는 스트립이다. 본 발명에 따른 방법으로, 조밀하게 잘 접착되는 코팅을 갖는 스트립을 제공하는 것이 가능하다.
바람직한 실시예에 따르면, 전위 구배(potential gradient)가 기판과 용기 사이에 유지되어, 이온이 기판 쪽으로 가속된다. 전위 구배에 의해, 이온은 기판 표면상에 충돌할 때 높은 운동 에너지(kinetic energy)를 가진다. 이 높은 운동 에너지는 기판으로의 매우 조밀하고 매우 양호한 접착이 얻어지는 기판 또는 기판상의 코팅으로의 이온 접착을 얻거나 또는 너무 높은 이온 에너지 때문에 기판의 표상의 이온의 리바운딩(rebounding)이 얻어진다. 그러나, 후자의 경우에 있어서, 이온 에너지의 일부는 기판상의 코팅에 의해 흡수되며, 코팅의 추가적인 조밀함(compaction)이 얻어진다. 기판과 용기 사이의 전위는 10 내지 40 Volt일 수 있다.
본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 일실시예를 개략적으로 도시하는 단면도 및
도 2는 도 1의 장치의 A-A를 따른 다른 단면도이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예를 도시한다. 진공 챔버(도시되지 않음)내에 코일(1)이 위치된다. 용기(2)는 코일(1)내에 위치된 덕트형 부분(3)을 가지며, 여기서 증기가 생산된다. 덕트형 부분(3)은 하단은 밀폐되며, 상단은 코팅되는 기판에 고정되도록 설계된 박스형 부분(4)에 연결된다. 박스형 부분(4)의 표면에는 개구부(5)가 존재한다.
도 1에 도시된 실시예에 있어서, 용기(2)는 용기 위로 짧은 간격으로 이송되는 스트립(도시되지 않음)을 코팅하는데 적합하다. 이러한 이유로, 용기(2)의 박스형 부분(4)은 스트립의 전체 폭을 코팅하는 것이 가능하도록 연장되어 있다.
도 2는 도 1의 용기의 A-A를 따른 단면을 도시한다. 이 단면은 박스형 부분(4)을 도시하며, 튜브(6)가 박스(7)내에 삽입되어 있으며, 전기 코일 또는 와이어(8)가 튜브(6)와 박스(7) 사이에 위치되어 있다.
장치의 작동 동안, 전도성 재료는 공급장치(도시되지 않음)를 이용하여 용기(2)의 덕트형 부분(3)내로 도입된다. 코일(1)내에 가변 전류가 생산되어 교류 전자기장을 생성시킨다. 이 전자기장에 의해, 전도성 재료는 코일 위에 공중부양 상태로 유지되며, 동시에 전도성 재료는 가열된다. 전도성 재료는 대부분이 액 적(droplet)(10)을 형성하도록 용융되고 증발되며, 일부 경우에 용융없이 승화된다.
용기(2)는 밀폐되나 다수의 개구부(5)가 형성되어 있기 때문에, 액적(10)의 증발에 의해 용기 내측의 압력은 주위의 진공 챔버내의 압력 보다 더 높아지기 시작한다.
놀랍게도, 이는 용기 내측에 플라즈마를 생성시키고, 이 플라즈마를 유지하도록 용기 재료로서 전기 절연 또는 비전도성 재료를 사용하는 것에 의해 용기 내측에 이 플라즈마를 유지시키는 것을 가능하게 한다. 용기내의 플라즈마는 10-1 내지 10-5 mbar, 바람직하게는 10-2 내지 10-4 mbar의 압력을 가진다. 10-5 mbar 이상, 바람직하게는 10-4 mbar 이상의 압력에서, 플라즈마가 용기내에 생성되며, 이 플라즈마는 압력이 10-1 mbar, 바람직하게는 10-2 mbar를 초과하지 않는, 즉 압력이 너무 높지 않게 되는 동안 유지된다. 플라즈마는 WO 03/071000 A1에서 언급된 바와 같은 가변 전류의 주파수, 예컨대 플라즈마를 생성시키기 위한 공지의 주파수 보다 매우 낮은 50 kHz 이상의 주파수에서 생성된다. 물론, 주위 진공 챔버내의 압력은 용기내의 압력 보다 더 낮아야 하며, 따라서 플라즈마는 개구부(5)를 통해 방출될 수 있다.
더욱이, 용기는 용기의 벽상에서 증기/플라즈마의 응축을 방지하기 위해, 증기/플라즈마의 온도 이상의 온도로 가열되어야 한다. 이를 위해, 전기 코일 또는 와이어(8)가 용기의 벽 내측에 이용된다. 용기가 열저항 및 열충격 저항을 갖고 높은 열전도성을 가져야 하기 때문에, 통상적으로 질화붕소 또는 질화규소와 같은 세라믹 재료가 이용되지만, 세라믹이 전기적으로 비전도성이기 때문에 산화지르코늄, 산화이트륨, 브롬화하프늄(hafnium bromide) 또는 브롬화지르코늄(zirconium bromide)과 같은 다른 세라믹도 이용가능하다.
용기내의 개구부는 임의의 형태일 수 있지만, 통상적으로 원형 구멍 또는 슬릿 형태이다. 개구부의 전체 표면은 용기의 체적과 코팅속도(coating rate)에 의존한다. 또한, 개구부 사이의 간격은 가변적이며, 구멍이 존재하는 용기의 표면과 코팅되는 기판 사이의 간격에 의존한다. 통상적으로, 구멍을 통해 용기로부터 방출된 플라즈마는 불꽃 형태를 가진다.
플라즈마내의 이온이 대전되는 사실에 의해, 이온은 기판에 양호하게 접착되어 더 조밀한 코팅을 형성할 것이다.
코팅의 접착 및 밀도는 용기와 코팅되는 기판 사이에 전위차를 적용하는 것에 의해 추가로 개선될 수 있다. 전위차에 의해, 이온은 기판쪽으로 가속되며, 따라서 높은 속도로 기판상에 충돌될 것이다. 이는 높은 밀도를 갖는 매우 양호한 접착이 얻어진다. 적절한 전위차는 10 내지 40 Volt이다.

Claims (13)

  1. 코일내의 가변 전류를 이용하여 전도성 재료를 공중부양 상태로 유지하고, 상기 재료를 가열 및 증발시키기 위한 코일이 위치되며, 상기 코일을 공중부양된 재료로부터 격리시키기 위한 수단이 상기 코일내에 위치되는 진공 챔버를 포함하는 물리기상증착을 이용하여 기판을 코팅하는 장치에 있어서,
    상기 격리 수단은 비전도성 재료로 제조된 용기의 일부이며,
    상기 용기는 증발된 전도성 재료를 코팅되는 기판으로 안내하기 위한 하나 또는 그 이상의 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 기판코팅장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 용기는 양 단부가 시일되고, 시일내에 하나 또는 그 이상의 개구부를 갖는 덕트 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판코팅장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 용기는 일단이 시일되고, 타단이 박스형 돌기부를 구비한 덕트 형태를 포함하며,
    상기 돌기부는 다수의 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는 기판코팅장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 돌기부는 코팅되는 기판의 폭과 적어도 동일 폭인 것을 특징으로 하는 기판코팅장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구부는 구멍 또는 슬릿 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판코팅장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용기는 용기를 가열하기 위한 가열수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 기판코팅장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 용기는 몰리브덴 또는 텅스텐으로 제조된 저항 와이어와 같은 전도성 재료로 제작된 가열소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 기판코팅장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용기는 질화붕소 또는 질화규소와 같은 세라믹 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 기판코팅장치.
  9. 진공 챔버내의 코일을 이용하여 전도성 재료를 공중부양 상태로 유지하고, 상기 재료를 가열 및 증발시키고 물리기상증착을 이용하여 기판을 코팅하는 방법에 있어서,
    가변 전류가 상기 코일내에 존재하며, 격리 수단이 상기 코일과 공중부양된 재료 사이에 위치하고,
    상기 격리수단은 가열되는 비전도성 재료로 제조된 용기의 일부이며,
    상기 용기는 증발된 전도성 재료를 코팅되는 기판으로 안내하기 위한 하나 또는 그 이상의 개구부를 가지며,
    증발된 재료는 상기 용기 내측에 플라즈마를 형성하고, 플라즈마는 기판을 코팅하도록 용기내의 개구부를 통해 방출되는 것을 특징으로 하는 기판코팅방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 용기는 상기 공중부양된 재료의 온도와 동일하거나 더 높은 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 기판코팅방법.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 용기내의 플라즈마는 10-1 내지 10-5 mbar, 바람직하게는 10-2 내지 10-4 mbar의 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 기판코팅방법.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    코팅된 상기 기판은 상기 용기에 대해 연속적으로 이송되는 스트립인 것을 특징으로 하는 기판코팅방법.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판과 용기 사이에 전위 구배가 유지되어, 이온이 기판쪽으로 가속되는 것을 특징으로 하는 기판코팅방법.
KR1020077029297A 2005-05-31 2006-04-27 기판 코팅장치 및 방법 KR101235457B1 (ko)

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