KR20180124015A - 박막 코팅을 적용하기 위한 진공 플랜트 및 상기 진공 플랜트로 광학 코팅을 적용하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 그룹은 진공 프로세스 플랜트 및 특정 광학 특성을 갖는 박막 코팅을 적용하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 진공 플랜트는, 이송 시스템에 부착되고 로드-록 챔버 내에 수직으로 배치된 드럼식 기판 홀더와 함께, 또는 드럼식 기판 홀더 없이 이동하고, 프로세스 챔버 아래에 위치된 수평의 고-진공 게이트를 통해 프로세스 챔버에 연결되도록 구성된, 로드-록 챔버를 포함한다. 박막 광학 코팅의 적용은 고-밀도 플라즈마의 화학적 증착에 의해 프로세스 챔버의 작동 구역에서 수행되며, 여기서 코팅을 적용하기 위한 플라즈마 생성 시스템이 사용되며, 여기서 유도 결합형 플라즈마 소스는 수직축을 따라 위치되며, 작동 공간은 고-진공 펌핑 시스템과 차폐물에 의해 작동 구역으로 구분된다. 장치의 공간 절약 배치 및 다양한 유형 요소로 된 가요성 및 고체 기판상에 높은 가용성의 박막 광학 코팅을 적용하는 고성능 및 경제적 방법의 구현이 가능하다.

Description

박막 코팅을 적용하기 위한 진공 플랜트 및 상기 진공 플랜트로 광학 코팅을 적용하기 위한 방법

본 발명의 그룹은 코팅을 적용하기 위한 기술 장치 분야에 관한 것으로서, 즉, 주어진 광학적, 전기적 및 기타 특성을 갖는 박막 코팅을 적용하도록 의도된 진공 프로세스 장치에 관한 것이다.

가공물 상에 이러한 박막 코팅을 적용하기 위한 여러 방법 및 이러한 방법을 구현하기 위한 장치들이 선행 기술에 공지되어 있다.

특히, 본 발명의 플랜트 및 박막 코팅을 적용하기 위한 방법과 유사한 것이 공지되어 있다(하기 참고문헌 [1]). 상기 참조 문헌은 배치 플랜트(batch plant)를 기술하고 있으며, 상기 배치 플랜트는 그 제조 라인 상에 기판(substrates)이 장착되어 고정되는 드럼식 기판 홀더와, 서로 분리되어, 수직 프로세스 챔버의 측면 상에 위치하는, 공급 및 배출 챔버를 포함하며, 상기 수직 프로세스 챔버는 상기 기판 홀더 둘레의 프로세스 챔버 둘레에 위치된, 박막을 적용하기 위한 마그네트론 및 그들을 산화시키기 위한 플라즈마 제너레이터를 포함한다. 이 경우, 상기 프로세스 챔버 내의 기판의 프로세스 구역은 배플(baffles)에 의해 분리되고, 가스 플라즈마로부터의 전자 및 이온과 같은 대전 입자를 포획하도록 구성된 그리드가, 상기 프로세스 챔버의 중심에 위치된 기판을 갖는 기판 홀더와 플라즈마 제너레이터 사이의 프로세스 구역 내에 위치한다.

상기 특허에 따른 박막 코팅을 적용하기 위한 방법은 회전 드럼에 위치된 기판 상에 박막 코팅을 진공에서 적용하여 산화시키는 것으로 구성된다.

이 경우 상기 기판은 각각의 프로세스 구역을 통해 여러 번 이동한다.

상기 특정된 플랜트 및 방법의 단점은 다음과 같다;

- 진공 플랜트의 낮은 성능과 제품의 상당한 제조 비용;

- 입력 및 출력 로드-록 챔버(input and output load-lock chambers)가 필요하기 때문에, 드럼식 기판 홀더를 로드-록 챔버 및 프로세스 챔버로 이송 및 공급하기 위한 복잡한 메커니즘의 존재;

- 프로세스 챔버 안으로 드럼식 기판 홀더를 수평으로 공급하는 것은, 상기 입력 및 출력 로드-록 챔버에 대한 공간을 필요로 하기 때문에, 제한된 수의 프로세스 장치를 사용하는 능력;

- 구동 메커니즘으로의 이송, 공급 및 연결을 위한 장치의 존재로 인해, 기판 홀더의 높은 제조 비용;

- 플랜트 내부의 메커니즘 및 구동 메커니즘의 존재로 인해, 진공 프로세스 플랜트의 서비스 수명 저하는 물론, 이에 따른 박박 코팅의 품질 저하.

박막 코팅을 적용하기 위한 본 발명의 플랜트 및 방법과 유사한 것이 공지되어 있다 [2]. 그것은 작업물 상에 박막 코팅을 적용하기 위한 진공 프로세스를 기술하고 있으며, 상기 진공 프로세스는, 연속하여 배치되어 있는 입력 로드-록 챔버(input load-lock chamber), 입력 버퍼 챔버, 내부에 프로세스 장치가 장착된 프로세스 챔버, 출력 버퍼 챔버, 출력 로드-록 챔버 및 고-진공 펌프를 포함하며, 캐리지 상의 베어링에 의해 장착된, 회전 드럼의 형태로 구성된 기판 홀더를 포함하며, 상기 캐리지는 이송 시스템 가이드에 의해 챔버를 따라 이동할 수 있다. 이 경우, 기판 홀더 샤프트의 단부에는, 분리 가능한 자기 커플링 요소(releasable magnetic coupling elements)가 회전을 전달하기 위해 장착되고, 상기 캐리지의 프레임 상에 배치된 전기 액추에이터는 상기 기판 홀더를 회전시키기 위해 사용된다. 상기 프로세스 장치는 기판 홀더의 이동을 따라 상기 캐리지 상에 장착되며, 작동 프로세스 구역은 이동에 따른 구역으로서 정의된다.

상기 특허에 따른 방법은 박막 코팅을 적용하는 단계를 포함하는데, 여기서 기판은 드럼 기판 홀더 상에 위치되고, 기판과 함께 드럼의 회전축에 평행한 프로세스 챔버를 통해 연속적으로 이동되고, 일정한 직선 및 각 속도로 회전된다. 이 경우 프로세스 챔버에서, 코팅은 프로세스 구역에 위치한 프로세스 장치에 의해 적용된다. 기술적인 프로세스를 구현할 때, 기판이 있는 기판 홀더는 로드-록 챔버, 프로세스 챔버, 버퍼 챔버 및 프로세스 라인 구역을 통과한다. 얇은 층을 적용한 후 산화 처리를 할 때, 처리되는 기판의 각 지점은 재료의 초박막 층을 적용하기 위해 장치를 반복적으로 통과한다.

상기 프로세스 라인 및 방법의 단점은 다음과 같다;

- 프로세스 챔버의 수를 증가시키고 복잡한 제어 및 조정 시스템을 적용해야 하기 때문에, 특히 복잡하고 정밀한 코팅을 적용하는 경우, 라인 장비 및 높은 재료 소비에 대한 대규모의 생산 설비를 사용해야 한다;

- 다층 코팅의 연속적인 적용이 요구되는 경우, 프로세스 구역에서의 장기간의 제품 체류 간격은 회전하는 이송 및 이동 장치의 속도를 감소시키고, 프로세스의 구현 시간에 따라 사용되는 장치의 크기를 선택해야 하므로, 매우 크고 값 비싼 메커니즘을 사용해야 하며, 다층 코팅을 적용할 때 장기간의 프로세스의 경제적 비 효율성;

- 진공 챔버 내부의 회전 장치에 기판을 장착하고 상기 기판을 이동시키기 위한 복잡한 장치의 존재, 및 그에 따른 진공 플랜트 내부의 메커니즘의 존재로 인해, 결과적으로 박막 코팅의 품질 저하.

본 발명은 광범위한 유형 요소(form factors)의 기판상에 박막 코팅을 적용하기 위한 소형의 산업용 진공 플랜트를 제공하는 것으로서, 광범위한 기술 및 기술적 장치를 사용할 수 있는 복잡하고 장기적인 기술적 프로세스에 적용 가능하며, 이러한 플랜트에 박막 광학 코팅을 적용하는 고성능 및 경제적인 방법을 제공하여, 박막 코팅의 사용 특성을 증가시킬 수 있게 한다.

적어도 하나의 프로세스 챔버를 포함하는 박막 코팅을 적용하기 위한 진공 플랜트는, 프로세스 장치 및 고-진공 펌핑 시스템, 적어도 하나의 로드-록 챔버, 프로세스 챔버를 상기 로드-록 챔버에 연결하는 고-진공 게이트, 그 축을 중심으로 회전 가능한 드럼식 기판 홀더, 및 상기 드럼식 기판 홀더를 이동시키기 위한 이송 시스템을 포함하며, 상기 진공 플랜트의 해결해야 하는 문제점은, 상기 로드-록 챔버가 상기 이송 시스템에 장착되고, 상기 이송 시스템을 따라 이동하거나, 또는 상기 이송 시스템에 의해, 그 내부에 수직으로 배치된 드럼식 기판 홀더와 함께, 또는 드럼식 기판 홀더 없이 이동하도록 구성되고, 프로세스 챔버 아래에 위치된, 수평의 고-진공 게이트를 통해 프로세스 챔버에 연결되도록 구성되는 것에 의해, 해결되며, 여기서 프로세스 챔버의 작동 공간은 고-진공 펌핑 시스템 및 차폐물의 사용으로 인해 작동 구역을 향해 분할된다.

또한, 상기 문제점은, 드럼식 기판 홀더를 이동 및 회전시키기 위한 장치가 상기 로드-록 및 상기 프로세스 챔버의 외부에 위치함에 의해 해결된다.

상기 드럼식 기판 홀더는 다양한 유형 요소의 기판을 장착하기 위한 적어도 6개의 분리 가능한 수용 장치, 또는 가요성 기판을 장착하기 위한 분리 가능한 원통형 표면을 갖는다.

또한, 상기 문제점은, 상기 이송 시스템이 직선 가이드에 부착되거나 또는 상기 직선 가이드를 따라 왕복 운동을 수행하는 하나의 로드-록 챔버를 구비하거나, 또는 적어도 두 개의 로드-록 챔버를 구비함에 의해 해결되며, 상기 이송 시스템은 하나의 회전식 이송장치(carrousel)이다.

상기 진공 플랜트의 가장 바람직한 실시예에서, 상기 프로세스 챔버에 장착된 적어도 하나의 프로세스 장치는 적어도 두 개의 유도 결합형 플라즈마 소스를 포함하는 고-밀도 플라즈마 생성 시스템이며, 그 축 상에는 영구 전자석이 각각 제공된다.

박막 광학 코팅을 적용하기 위한 방법은, 프로세스 챔버에서 일정한 각속도로 회전하는 드럼식 기판 홀더에 부착되는 기판에, 박막 코팅이 적용되고, 상기 프로세스 챔버 안으로, 드럼식 기판 홀더가 이송 시스템을 이용하여 로드-록 챔버로부터 이동되는 것을 특징으로 하며, 상기 박막 광학 코팅을 적용하기 위한 방법의 해결해야 하는 문제점은, 수직으로 배치된 상기 드럼식 기판 홀더의 이송이, 이송 시스템에 장착되고 수평의 고-진공 게이트를 통해 아래로부터 상기 프로세스 챔버에 연결된, 로드-록 챔버 내에서 이송됨에 의해, 해결된다. 이 경우, 박막 광학 코팅은 고-밀도 플라즈마의 화학적 증착에 의해 상기 프로세스 챔버의 작동 구역에 적용된다. 이는 코팅을 적용하기 위한 적어도 하나의 플라즈마 생성 시스템에서 사용되며, 여기서 유도 결합형 플라즈마 소스는, 상기 드럼식 기판 홀더의 회전축에 평행한 수직축을 따라 상기 프로세스 챔버의 내부 측면 상에 하나씩 위치되거나, 또는 상기 축에 대해 엇갈린 배열로 이동된다. 작동 공간은 고-진공 펌핑 시스템과 차폐물에 의해 작동 구역을 향해 분할된다. 코팅을 적용하고 상기 드럼식 기판 홀더를 상기 프로세스 챔버로부터 제거하고 난 후, 상기 프로세스 챔버의 세척을 수행한다.

상기 방법의 가장 바람직한 실시예에 있어서, 광학 코팅을 적용하기 전에, 회전하는 기판의 표면은 산소 및 수소 플라즈마에서 세척되고 활성화된다.

박막 광학 코팅을 적용할 때, 유도 결합형 플라즈마 소스에 의해 플라즈마로 전달되는 전력 밀도는 0.1W/cm³ 를 초과한다.

작동 플라즈마 형성 구역의 작동 가스는 0.1-3 mT의 유도(induction)를 갖는 외부 영구 자기장으로 인해 이온화되며, 여기서 상기 자기장은 유도 결합형 플라즈마 소스의 축 상에서 프로세스 챔버 외부에 배치된 영구 전자석에 의해 형성된다.

상기 방법의 일 실시예는 적어도 두 개의 생성 시스템을 사용하여 구성되며, 여기서 코팅은 하나의 플라즈마 생성 시스템으로 적용되며, 다른 플라즈마 생성 시스템으로 산화된다. 이 경우 산화는 실제 산화뿐만 아니라 질화, 불소화 등을 의미한다.

본 발명의 핵심은 다음의 도면에 의해 설명된다.

도 1은 프레임 상에 장착된 프로세스 챔버의 측면도를 나타낸다.
도 2는 상기 프레임 상의 프로세스 챔버의 평면도를 나타낸다.
도 3은 두 개의 로드-록 챔버를 갖는 회전식 이송장치인 이송 시스템을 나타낸다.
도 4는 드럼식 기판 홀더의 전체도를 나타낸다.
도 5는 4개의 부품의 회전 이송 시스템의 전체도를 나타낸다.
도 6은 이송 시스템의 위치 중 하나의 위치에서 내부에 드럼식 기판 홀더를 갖는 3개의 프로세스 챔버, 4개의 부품의 회전 이송 시스템 및 로드-록 챔버를 갖는 진공 프로세스 플랜트의 평면도를 나타낸다.
도 7은 광학 코팅을 적용하기 위해 본 발명의 방법을 구현하기 위한 진공 프로세스 챔버 내의 장치들의 배치도를 나타낸다.
도 8은 저-반사 코팅을 갖는 유리 기판에 대한 표면 반사 지수와 조명 파장 간의 의존 다이아그램을 나타낸다.

박막 코팅을 적용하기 위한 진공 플랜트(도 1, 도 2, 도 3)는, 그 측면 상에 프로세스 장치(3)가 배치되는, 프레임(2) 상에 장착된 프로세스 챔버(1)와, 프로세스 작동을 수행할 때 진공을 제공 및 지지하며, 가스에 대한 작동 공간을 작동 구역으로 나누기 위한 고-진공 펌프(4)와, 기판 홀더(5)의 회전 구동장치(6)가 프로세스 챔버(1)의 리드에 장착된 회전 드럼식 기판 홀더(5)와, 상기 프로세스 챔버 내부의 고-진공 회전 운동 피드스루(high-vacuum rotary-motion feedthrough)(도시되지 않음)를 구비한다. 적어도 하나의 로드-록 챔버(8)가 부착된 이송 시스템(7)은, 내부에 수직으로 배치된 기판 홀더(5)를 갖는 로드-록 챔버를 공급/배출 구역으로부터 프로세스 챔버(1) 아래의 작동 위치로 이동시키도록 구성된다. 그 하부 측면의 상기 프로세스 챔버(1)에는 수평의 고-진공 게이트(9)가 제공되며, 이것을 통해 상기 기판 홀더(5)는 상기 로드-록 챔버(8)로부터 상기 프로세스 챔버(1)로 이동하여 후퇴한다. 상기 기판 홀더(5)를 상기 로드-록 챔버(8) 아래의 외부로 이동시키기 위해, 고-진공 운동 피드스루(high-vacuum motion feedthrough)(도시되지 않음)를 갖는 기판 홀더의 공급 장치(10)가 로드-록 챔버 내부에 장착된다.

프로세스 작업을 수행할 때, 상기 드럼식 기판 홀더(5)는 상기 프로세스 챔버(1) 내부에 있고, 상기 프로세스 장치(3)는 상기 기판 홀더(5)의 수직 회전축을 중심으로 상기 프로세스 챔버(1)의 주변에 위치된다. 상기 기판 홀더(5)의 회전 구동장치(6)는, 상기 프로세스 챔버(1) 내로 기판 홀더(5)를 공급한 후에 기판 홀더(5)를 작동시킨다.

상기 기판 홀더(5)의 회전 구동장치(6) 및 상기 프로세스 챔버(1) 내로 기판 홀더(5)를 공급하기 위한 공급 장치(10)는 프로세스 및 로드-록 챔버를 넘어서 위치하며, 이에 따라 상기 챔버 내부의 작동 공간의 오염을 회피할 수 있게 하여, 기술적 프로세스의 청결성을 제공하며, 결과적으로 적용된 코팅의 품질을 향상시킨다.

상기 드럼식 기판 홀더(5)(도 4)는 기판(13)의 상이한 유형 요소 또는 가요성 기판을 장착하기 위한 원통형 표면에 대해 적어도 6개의 분리 가능한 수용 장치(페이스들)(faces)(12)를 갖는다. 상기 기판(13)의 변화, 상기 기판과 함께 상기 페이스(12)의 변화, 또는 상기 기판 홀더(5)의 변화는, 상기 기판 홀더(5) 상의 공급/배출 위치에서 수행될 수 있다. 이러한 다목적 공급 가능성으로 인해, 다양한 유형 요소의 가요성 기판(호일, 유리, 금속) 및 고체 플랫 기판(리튬 니오베이트, 리튬 탄탈레이트, 유리, 실리콘, 사파이어, 시탈 등)을 진공 플랜트에서 처리할 수 있게 한다.

진공 플랜트는 2가지 유형의 이송 시스템(7)을 구비할 수 있다: 왕복 운동 하는 것 - 하나의 로드-록 챔버의 경우 - 또는 회전식 이송장치(carrousel 또는 revolver) - 두 개 이상의 로드-록 챔버의 경우. 직선 가이드를 따라 프로세스 챔버(1)로부터 공급/배출 위치로 왕복 운동하는 진공 플랜트 내의 하나의 로드-록 챔버(8)는 일반적으로 진공 플랜트의 구조를 단순화하고 장비 재료 소비를 감소시킨다. 박막 코팅을 적용하기 위한 복잡한 기술적 프로세스를 수행할 필요가 있는 경우, 상기 이송 시스템(7)은 다중 부품의 회전식 이송장치의 형태(도 5)로 구성될 수 있으며, 이로 인해, 박막 코팅을 적용하기 위한 프로세스 작업, 또는 제어, 세척, 세정 등을 위한 작업을 여러 프로세스 챔버(1)에서 구현할 수 있다.

도 6은 3개의 프로세스 챔버(1)를 갖는 진공 플랜트의 평면도를 도시하며, 4개의 부품 회전 이송 시스템(7)은 최종 제품이 얻어질 때까지 전체 프로세스 흐름 중에 로드-록 챔버(8)를 기판 홀더(5)와 함께 이동시킨다. 이 경우, 상기 로드-록 챔버(8) 및/또는 공급/배출 구역을 갖는 이송 시스템(7)은 청정 구역(A)에 위치될 수 있고, 수동 및 자동 모드의 모두에서, 기판(13)을 기판 홀더(5) 상으로 공급할 수 있고, 최종 제품을 배출할 수 있다.

상기 청정 구역은 시설의 일부분이며, 여기서는 에어로졸 입자의 농도가 제어되고, 구획 내부의 입자의 투입, 생성 및 축적을 최소화하도록 설계되고, 필요한 경우 온도, 습도 및 압력과 같은 여러 파라미터가 제어된다.

진공에서 박막 코팅을 적용하여 생산된 제품의 고품질을 제공하기 위해, 프로세스 장비를 기술 라인에 배치할 때, 기판의 공급 및 최종 제품의 배출 위치에서 프로세스 라인의 상류 및 하류에 상기 청정 구역을 배치할 필요가 있다. 프로세스 챔버의 바닥으로부터 수직 위치에 기판 홀더를 공급하면서, 원(circle)(도 6)에 위치된 프로세스 챔버를 플랜트에 설치함으로써, 공급 및 배출 위치가 일치될 수 있기 때문에, 하나의 청정 구역(А) 만을 구성하는 것이 가능하다.

프로세스 챔버의 둘레에 위치된 고-진공 펌핑 시스템(4)(도 7) 및 차폐물(18)은 상기 프로세스 챔버(1) 내의 작동 공간을 수 개의 작동 구역으로 분할함으로써, 다양한 방식의 프로세스 장치를 안정적으로 작동하기 위한 조건을 제공한다. 하나의 진공 챔버에서 여러 프로세스 구역을 사용하는 프로세스 장치를 배치하면, 복잡한 여러 단계의 기술적 프로세스를 수행할 때 장비가 차지하는 생산 설비를 절약할 수 있고, 이를 위해, 직선 프로세스 플랜트는 개별 프로세스 챔버에서 각각의 작업을 수행하는 것이 표준이다.

본 발명의 플랜트에 박막 광학 코팅을 적용하기 위한 본 발명의 방법은 다음과 같다. 기판(13)은 로드-록 챔버(8)를 지나서 기판 홀더(5)에 부착된 다음, 공급 장치(10)에 의해, 수직 위치에 있는 기판 홀더가 자동적으로 이송 시스템(7)에 부착된 로드-록 챔버(8) 안으로 내려간다. 드럼식 기판 홀더(5)를 갖는 상기 로드-록 챔버(8)는 상기 이송 시스템(7)에 의해 프로세스 챔버(1)로 이동된다. 상기 로드-록 챔버(8)가 상기 프로세스 챔버(1) 아래의 작동 위치를 점유한 후, 이동은 정지되며, 상기 로드-록 챔버는 상승되어, 수평의 고-진공 게이트(9)에 대해 가압된다. 상기 로드-록 챔버는 저 진공 펌프(11)에 의해 2 Pa의 압력으로 펌핑되고, 이어서 상기 고-진공 게이트(9)가 개방되고, 상기 기판 홀더(5)는 상기 공급 장치(10)에 의해 상기 프로세스 챔버(1) 내로 들어 올려져, 회전식 구동장치(6)에 연결된다.

상기 기판 홀더가 내부에 있는 프로세스 챔버(1)는 고-진공 펌프(4)에 의해 0.003 Pa 미만의 압력까지 고진공으로 펌핑되고, 그 후 상기 기판 홀더(5)는 회전되어, 코팅을 적용하는 프로세스를 구현하기 위해 필요한 속도까지 가속된다.

광학 코팅을 적용하는 프로세스 전에, 플라즈마 스트리핑 프로세스(plasma stripping process)가 수행되고, 기판의 표면은 유도 결합형 플라즈마에 의해 활성화되어, 분자 입자, 흡착된 가스, 폴리머 조각들, 수증기를 제거하고, 또한 적용된 층의 접착성을 향상시키기 위해, 기판 표면상의 표면 결합을 원자적으로 활성화시킨다. 이 경우, 산소 플라즈마에서의 세척은 유기 오염물을 제거하고, 수소 플라즈마에서의 세척은 표면을 수소화하여, 결과적으로 표면 결합을 부동태화(passivating) 한다. 세척 및 활성화 프로세스를 위하여, 산소는 다중-구역 가스 공급 시스템(14)(도 7)을 통해 진공 프로세스 챔버(1) 내로 공급되고, 압력은 조절되고, 고-밀도 플라즈마 생성 시스템(15)이 활성화된다. 상기 기판은 특정 시간 간격에 따라 처리된다. 그 후, 수소가 가스 공급 시스템(14)을 통해 작동 챔버(1) 내로 공급되고, 산소 공급은 정지되고, 압력이 조절되고 세척은 계속된다. 일단 세척이 끝나면 상기 플라즈마 생성 시스템(15)은 중지(turned off)되고, 수소 공급은 정지된다.

세척 및 활성화 프로세스 후에, 고-밀도 플라즈마에서의 화학적 기상 증착에 의해 기판의 준비된 표면에 박막 광학 코팅이 적용된다.

고-밀도 플라즈마에서의 화학적 기상 증착은 결함이 거의 없고, 양호하며 광범위하게 제어된 화학양론(stoichiometry) 및 낮은 기계적 응력의 코팅 형성을 제공한다. 필름에서의 낮은 기계적 응력은 화학적 증착에 의해 제조된 필름의 구조에 의해 발생하며, 이러한 낮은 기계적 응력은, 제품 사용의 적용 및 작동 온도 간의 온도차가 최소이며, 100도를 초과하지 않는 사실 때문에 발생한다. 이 경우, 제어된 화학양론은 더 적은 적용 층에 의해서 코팅의 물성을 향상시키는 것을 가능하게 한다.

게다가, 가스 정제는 반응성 마그네트론 스퍼터링 방법 [1]에 사용되는 마그네트론 스퍼터링 시스템의 고체 타겟의 정제보다 저렴하기 때문에, 고품질 필름을 만드는 프로세스가 비용적으로 보다 효율적이며, 이것은 적절한 증착 속도와 충분히 높은 품질의 코팅을 갖기 때문에, 현재의 화학적 기상 증착 방법과 경쟁할 수 있다.

광학 코팅은 한 개 또는 두 개의 플라즈마 생성 시스템(15)을 갖는 코팅의 특정 광학 특성에 따라 적용된다. 이 경우, 프로세스 챔버(1) 내의 작동 공간을 여러 개의 작동 구역으로 분할하는 고-진공 펌핑 시스템(4) 및 차폐물(18)은 프로세스 장치의 안정적인 작동을 위한 조건을 창출한다.

고-밀도 플라즈마 생성 시스템(15)은 13.56MHz의 산업 주파수에서 작동하고, 기판 홀더의 회전축에 평행한 수직축을 따라 하나씩 위치되거나 또는 상기 축에 대하여 엇갈린 배열로 이동되는, 적어도 두 개의 유도 결합형 플라즈마 소스(inductively coupled plasma sources)(ICP)(16)를 포함한다. 상기 유도 결합형 플라즈마 소스의 특정 위치에서 플라즈마 생성 시스템을 사용함으로써, 기판 홀더의 높이 전체에 걸쳐 코팅의 균일성을 도달할 수 있게 된다.

작동 플라즈마 형성 구역(17)에서의 작동 가스 이온화 정도의 증가는 0.1 - 3 mT의 유도로 외부 영구 자기장에 도달한다. 여기서, 자기장은, 상기 유도 결합형 플라즈마 소스의 축 상에서 프로세스 챔버(1)에 대해 외부에 위치된, 영구 전자석(19)에 의해 형성된다.

산화물, 질화물 또는 다른 물질의 증착은 하나의 플라즈마 생성 시스템에 의해 수행될 수 있다. 이 경우, 작동 가스는 다중-구역 가스 공급 시스템(14)을 통해 플라즈마 형성 구역(17) 내로 공급되고, 여기서 활성화되고, 기판으로 이동되어 코팅을 형성한다.

층 증착이 두 개의 플라즈마 생성 시스템(15)으로 수행되는 경우, 반도체 물질 또는 금속의 얇은 층이 플라즈마 생성 시스템(15) 중 하나의 플라즈마 형성 구역(17)에 증착된다. 회전 과정에서, 기판은 산화물, 질화물, 불화물 등의 형성이 발생하는 다른 플라즈마 생성 시스템(15)의 작동 구역으로 들어간다. 증착 및 산화 프로세스의 분리(이 경우 산화는 실제 산화뿐만 아니라 질화, 불소화 등으로 이해된다)는 형성된 코팅의 균질성을 향상시키고, 증착 균일성의 조정을 단순화하며, 층 화학량론의 제어를 더욱 유연하게 한다.

특정의 광학 특성을 갖는 코팅을 적용한 후, 기판 홀더(5)의 회전이 정지되고, 기판 홀더 공급 장치(10)가 상기 기판 홀더를 로드-록 챔버(8) 내로 이동시키고, 고-진공 게이트(9)가 잠겨지면, 공기가 상기 로드-록 챔버(8) 내로 가해지고, 압력이 대기압과 균형을 이루고, 그 후 상기 기판 홀더(5)와 함께 상기 로드-록 챔버(8)가 프로세스 챔버(1)로부터 분리되어, 이송 시스템(7)에 의해 이송/배출 구역으로 이동되고, 여기서 기판은 교체된다.

최종 제품의 배출 후, 프로세스 챔버(1)는, 챔버 내의 장비로부터 증착된 물질을 부분적으로 제거하기 위해 플라즈마-화학적 세척을 한다. 프로세스 챔버의 세척은 다음과 같이 수행된다. 드럼식 기판 홀더(5)의 배출 후에, 작동 가스(NF₃)가 프로세스 챔버(1)로 공급되고, 고-밀도 플라즈마 생성 시스템(15)이 활성화된다. 지정된 시간 동안 세척은 계속된다. 고-밀도 플라즈마 생성 시스템이 정지되고, 작동 가스의 공급을 중단하면, 플랜트는 기술적 프로세스의 다음 사이클을 수행할 준비가 된다. 코팅을 적용하는 각 사이클을 완료한 후 프로세스 챔버를 청소하면, 코팅의 결함 양이 줄어들어 고 품질의 코팅을 제공하고, 서비스 장비 유지보수 사이의 간격이 늘어난다.

고-밀도 플라즈마에서 플라즈마-화학적 증착을 하는 현존하는 플랜트[3, 4]는, 유전체 코팅을 1.5 - 2%의 균일성을 갖고 기판상에 적용할 수 있다. 이들 플랜트는 샘플을 하나씩 처리하도록 구성되어 있으며, 광학 제품의 대량 생산을 의도하지는 않는다. 본 발명의 프로세스 진공 플랜트는, 광학 코팅을, 1m의 프로세스 구역에 대해 0.5 - 1nm/s의 적용 속도와 90%의 지속 시간을 갖는 연속 작동 사이클의 대량 생산에 적용할 때, 0.5% 이상의 균일성에 도달할 수 있게 한다. 이러한 파라미터는, 다중-구역 가스 공급 시스템 및 각 ICP에 대한 개별 전자석을 갖는 유도 결합형 플라즈마 소스 시스템을 사용하여, 기판을 회전 드럼식 기판 홀더 상에 배치함으로써 달성될 수 있다.

기판 홀더의 회전은 기판 홀더의 수직축을 따라, 조정 균일성에 대한 자유도의 수효를 하나로 감소시키는 것을 가능하게 한다. 유도 결합형 플라즈마 소스 시스템의 사용은, 수직축을 따라 플라즈마 생성의 균일성을 증가시키고, 배출시에 통합된 전력 밀도를 증가시켜, 작은 크기로 농축시키는 것을 가능하게 하며, 작동 플라즈마 형성 구역은 작동 가스 해리도를 증가시키고 코팅 광학 파라미터를 향상시킨다. 유도 결합형 플라즈마 소스의 축 상에 배치된 영구 전자석은 또한 플라즈마 농축을 증가시키도록 구성된다.

필름에서의 낮은 기계적 응력은 저온에서 고-밀도 플라즈마에서의 플라즈마 화학적 증착에 의해 제조된, 코팅의 구조에 의해 발생한다. 이러한 코팅에서, 기계적 응력은 주로 필름과 기판 재료의 열 팽창 계수의 차이에 의해 유발된다. 본 발명의 방법에서의 적용 온도는 100°C보다 낮기 때문에, 기계적 응력 역시 용량성 방전 플라즈마에서의 플라즈마-화학적 증착 [3, 4]에 의해 얻어진 필름에 비해 상당히 낮다. 여기서, 증착 온도는 300°C 이상을 필요로 한다. 물리적 증착 방법[1, 2]과 달리, 본 발명의 방법으로 얻어진 필름은 구조적 응력을 갖지 않으므로, 필름의 전체적인 기계적 응력을 감소시킨다. 또한, 그들의 회전시 기계적 응력이 낮으면, 물리적 충격에 대한 박막 코팅의 안정성이 향상되며, 이에 따라 코팅에서의 장력으로 인해 구부러질 수 있는 얇은 기판에 필름을 적용할 수 있게 한다.

본 발명의 실시예는 다음과 같다.

청정 구역에서, 220 x 280mm 크기의 강화 유리로 된 투명 기판(13)이 특별한 양면 접착테이프로 기판 홀더(5)의 15개의 분리 가능한 페이스(12)에 고정된다. 그 다음, 공급/배출 위치에서, 기판으로 채워진 페이스(12)가 기판 홀더(5)에 배치된 후, 수직 위치의 기판 홀더는 이송 시스템(7)에 부착된 로드-록 챔버(8) 내로 자동적으로 하강된다. 내부에 드럼식 기판 홀더(5)를 갖는 상기 로드-록 챔버(8)는 상기 이송 시스템(7)에 의해 프로세스 챔버(1)로 이동된다. 상기 로드-록 챔버(8)가 상기 프로세스 챔버(1) 아래의 작동 위치에 도달한 후, 이동은 정지되며, 상기 로드-록 챔버(8)는 수평의 고-진공 게이트(9)에 대해 자동적으로 들어 올려져 가압된다. 상기 로드-록 챔버(8)는 저 진공 펌프(11)로 20 Pa의 압력까지 펌핑되고, 이어서 상기 수평의 고-진공 게이트(9)가 개방되고, 상기 기판 홀더(5)는 공급 장치(10)에 의해 상기 프로세스 챔버(1) 내로 들어 올려지고, 회전 구동 장치(6)에 연결된다.

내부에 기판 홀더(5)를 갖는 프로세스 챔버(1)는 고-진공 펌프(4)로 0.003 Pa 미만의 압력까지 펌핑되고, 이후 상기 기판 홀더(5)는 150 rpm의 속도로 회전 및 가속된다.

다중-구역 가스 공급 시스템(14)을 통해 기판을 세척 및 활성화시키기 위해, 진공 프로세스 챔버(1)로 산소가 공급되고, 압력은 0.7 - 3Pa로 증가되고, 고-밀도 플라즈마 생성 시스템(15)이 작동한다. 상기 기판은 적어도 1분 이상 세척된다. 그런 다음 수소가 작동 챔버에 공급되고, 산소 공급이 중단되며, 압력은 동일한 범위에서 유지된다. 기판은 추가로 1분 동안 처리된다.

그 다음, 교대로 반복되는 층을 포함하는 저-반사 코팅이 강화 유리의 투명 기판(13) 상에 연속적으로 적용되고, 여기서 고 굴절률(H)을 갖는 층 다음에 저 굴절률(L)을 갖는 층이 이어진다. 두 유형의 층의 수는 8개이다. 상기 층의 순서, 그들의 두께 및 굴절률은 표 1에 제시되어 있다.

각각의 저-반사 코팅층은 하나의 플라즈마 생성 시스템에 의해 증착된다. 작동 가스는 다중-구역 가스 공급 시스템(14)을 통해 플라즈마 형성 구역(17) 내로 공급되고, 거기서 활성화 되어, 기판으로 이동되어 코팅을 형성한다.

도 8은 표 1의 저-반사 코팅의 표면 반사 지수와 조명 파장 간의 의존성을 도시한다.

코팅은 다음과 같이 형성된다. 저-반사 코팅 형성에 사용되는 작동 가스 SiH₄, N₂ 가 가스 공급 시스템(14)을 통해 프로세스 챔버(1)로 공급된다. 상기 프로세스 챔버 내의 압력은 0.5 - 3 Pa가 되고, 고-밀도 플라즈마 생성 시스템(15)이 작동한다. 고 굴절률(H)을 갖는 저-반사 코팅의 홀수 층이 증착된다. 이 경우, 이 층은 실리콘 질화물 SiN_X 이다. 증착 종료는 RF 전원이 꺼지는 순간에 의해 결정된다. 또한, 가스 매질의 조성이 변경된다: 가스 공급 시스템(14)을 통해 상기 프로세스 챔버(1)에 작동 가스 SiH₄, O₂ 가 공급되고, 상기 고-밀도 플라즈마 생성 시스템(15)이 다시 작동한다. 저 굴절률(L)을 갖는 저-반사 코팅 SiOx의 짝수 층이 증착된다.

증착할 때 RF 전력 밀도는 약 0.2W/cm³ 이며, 드럼 회전 주파수는 150 rpm 이다. 이러한 조건은 한 번의 회전에서, 2 - 6개의 단 분자 층의 두께에 해당하는, 약 0.15 내지 0.5nm 두께의 층을 적용하는 것을 보장하며, 최소의 기계적 응력으로 치밀한(공극이 없는) 무 결점 코팅의 형성을 보장한다.

층 L 및 H의 증착은, 특정한 광학 특성을 갖는 저-반사 코팅이 형성될 때까지, 4회 반복되고(표 1), 이어서 반응성 가스의 공급이 중단된다.

특정한 광학적 특성을 갖는 코팅을 적용한 후, 기판 홀더(5)의 회전은 회전 구동 장치(6)에 의해 정지되고, 공급 장치(10)가 기판 홀더를 로드-록 챔버(8) 안으로 이동시키며, 고-진공 게이트(9)는 잠겨지며, 공기가 상기 로드-록 챔버 내로 가압되어, 대기압과 균형을 이루면, 상기 드럼식 기판 홀더(5)를 갖는 로드-록 챔버(8)가 회전 가능한 두 개의 위치 이송 시스템(7)에 의해 세척 구역 안으로 이동되고, 공급/배출 위치로 이동하여 기판이 교환된다.

프로세스 챔버(1)는 다음과 같이 세척된다. 상기 프로세스 챔버(1)로부터 로드-록 챔버(8) 내로의 드럼식 기판 홀더(5)의 배출 및 고-진공 게이트(9)의 잠금 후에, 작동 가스 NF₃ 가 프로세스 챔버로 공급된다. 작동 압력이 1 Pa 로 증가되고, 고-밀도 플라즈마 생성 시스템(15)이 작동한다. 이 경우, RF 전력 밀도는 약 0.2W/cm³ 이다. 세척은 10분 동안 수행된다. 그런 다음 고-밀도 플라즈마 생성 시스템을 끄고 작동 가스의 공급을 중단한다. 플랜트는 다음 단계의 기판을 사용하여 기술적 프로세스를 반복할 준비가 된다. 이 경우 기술적 프로세스 중의 이송 광학 제어의 구현은 그 반복성을 제공한다.

상기 프로세스 챔버에서, 상기 회전 드럼식 기판 홀더를 수직 위치에서 사용하여 박막 코팅을 적용하기 위한 본 발명의 진공 플랜트는, 그 측면에 배치된 다양한 프로세스 장치를 사용할 수 있게 한다. 이 경우 상기 챔버 내부의 각 프로세스 장치에 대한 개별 조건은, 공간을 가스에 대한 작동 구역을 향해 분할함에 의해 성취된다.

하나의 진공 프로세스 챔버에 다양한 유형의 프로세스 장치를 배치하는 것은, 펌핑 수단의 수를 최소화하여 장비의 크기 및 재료 소모를 감소시키며, 설비의 장치 공간 절약을 제공한다. 또한, 장치 공간 절약은 로드-록 챔버가 부착된 이송 시스템을 프로세스 챔버 아래에 배치함으로써 제공된다.

박막 광학 코팅을 동일하게 적용하기 위한 본 발명의 플랜트 및 방법은 다양한 유형 요소의 기판에 박막 코팅을 적용하고 장비 작동 간격을 증가시키는 복잡한 기술을 구현하는 것을 가능하게 한다. 이 경우, 상기 플랜트로 광학 코팅을 얻기 위한 본 발명의 방법은 고성능을 가지며, 결함의 양을 감소시키고 광학적 및 물리적인 코팅 특성의 균일성을 개선시킨다.

[참고문헌]

1. 2001년 8월 14일에 등록된 미국특허 제6274014호

2. 2014년 2월 20일에 공개된 러시아 연방 특허 제0002507308호

3. Official website of Company Oxford Instrument, - Mode of access: http://www.oxford-instruments.com/products/etching-deposition-and- growth/processes/deposition-processes/dielectrics/sio2-deposition - 접근 일자: 12.02.2016.

4. Presentation by Company Corial ≪Corial 300 IL GaN & Sapphire Etching ICP System≫ - Mode of access: http://www.corial.net/resources/13 30011 JCorial%203001 L.pd - 접근 일자: 12.02.2016

Claims (14)

1. 적어도 하나의 프로세스 챔버를 포함하는 박막 코팅을 적용하기 위한 진공 플랜트로서, 프로세스 장치 및 고-진공 펌핑 시스템; 적어도 하나의 로드-록 챔버; 상기 프로세스 챔버를 상기 로드-록 챔버에 연결하는 고-진공 게이트; 그 축을 중심으로 회전 가능한 드럼식 기판 홀더; 및 상기 드럼식 기판 홀더를 이동시키기 위한 이송 시스템을 포함하는, 박막 코팅을 적용하기 위한 진공 플랜트에 있어서,
   상기 로드-록 챔버는 상기 이송 시스템에 장착되고, 상기 로드-록 챔버 내부에 수직으로 배치된 드럼식 기판 홀더와 함께 또는 상기 드럼식 기판 홀더 없이 이동하고, 상기 프로세스 챔버 아래에 위치된 수평의 고-진공 게이트를 통해 상기 프로세스 챔버에 연결되도록 구성되며; 여기서 상기 프로세스 챔버의 작동 공간은 상기 고-진공 펌핑 시스템 및 차폐물의 사용으로 인해 작동 구역을 향해 분할되는 것을 특징으로 하는, 박막 코팅을 적용하기 위한 진공 플랜트.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 드럼식 기판 홀더를 이동 및 회전시키기 위한 장치가 상기 로드-록 챔버와 상기 프로세스 챔버의 외부에 위치되는 것을 특징으로 하는, 박막 코팅을 적용하기 위한 진공 플랜트.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 드럼식 기판 홀더는 다양한 유형 요소의 기판을 장착하기 위한 분리 가능한 수용 장치를 갖는 것을 특징으로 하는, 박막 코팅을 적용하기 위한 진공 플랜트.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 드럼식 기판 홀더는 기판의 상이한 유형 요소에 대해 적어도 6개의 분리 가능한 수용 장치를 갖는 것을 특징으로 하는, 박막 코팅을 적용하기 위한 진공 플랜트.
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 드럼식 기판 홀더는 가요성 기판을 장착하기 위한 분리 가능한 원통형 표면을 갖는 것을 특징으로 하는, 박막 코팅을 적용하기 위한 진공 플랜트.
6. 청구항 1에 있어서,
   직선 가이드를 따라 왕복 운동을 수행하는 하나의 로드-록 챔버가 상기 이송 시스템에 장착되는 것을 특징으로 하는, 박막 코팅을 적용하기 위한 진공 플랜트.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 이송 시스템은 그 위에 장착된 적어도 두 개의 로드-록 챔버를 가지는 회전식 이송장치인 것을 특징으로 하는, 박막 코팅을 적용하기 위한 진공 플랜트.
8. 청구항 1에 있어서,
   적어도 하나의 프로세스 장치가 적어도 두 개의 유도 결합형 플라즈마 소스를 포함하는 고-밀도 플라즈마 생성 시스템이며, 그 축 상에는 영구 전자석이 각각 제공되는 것을 특징으로 하는, 박막 코팅을 적용하기 위한 진공 플랜트.
9. 박막 광학 코팅을 적용하기 위한 방법으로서, 상기 박막 코팅은, 프로세스 챔버에서 일정한 각속도로 회전하는 드럼식 기판 홀더에 부착된 기판에 적용되고, 상기 드럼식 기판 홀더는 이송 시스템에 의해 로드-록 챔버로부터, 상기 프로세스 챔버 안으로 이동되는, 박막 광학 코팅을 적용하기 위한 방법에 있어서,
   수직으로 배치된 상기 드럼식 기판 홀더가 이송 시스템에 장착된 로드-록 챔버 내에서 이송되며, 상기 로드-록 챔버는 수평의 고-진공 게이트를 통해 아래로부터 상기 프로세스 챔버에 연결되며; 박막 광학 코팅의 적용은 고-밀도 플라즈마의 화학적 증착에 의해 상기 프로세스 챔버의 작동 구역에서 수행되며, 여기서, 코팅을 적용하기 위해, 적어도 하나의 플라즈마 생성 시스템이 사용되며, 여기서, 유도 결합형 플라즈마 소스는, 상기 드럼식 기판 홀더의 회전축에 평행한 수직축을 따라 위치되거나, 또는 상기 축에 대해 엇갈린 배열로 위치되고; 여기서, 코팅을 적용하고 상기 드럼식 기판 홀더를 제거하고 난 후, 상기 프로세스 챔버가 세척되며; 작동 공간이 고-진공 펌핑 시스템 및 차폐물에 의해 작동 구역을 향해 분할되는 것을 특징으로 하는, 박막 광학 코팅을 적용하기 위한 방법.
10. 청구항 9에 있어서,
    광학 코팅을 적용하기 전에, 회전하는 기판의 표면은 산소 및 수소 플라즈마에서 세척되고 활성화되는 것을 특징으로 하는, 박막 광학 코팅을 적용하기 위한 방법.
11. 청구항 9에 있어서,
    상기 유도 결합형 플라즈마 소스에 의해 플라즈마로 전달되는 전력 밀도는 0.1W/cm³ 를 초과하는 것을 특징으로 하는, 박막 광학 코팅을 적용하기 위한 방법.
12. 청구항 9에 있어서,
    작동 플라즈마 형성 구역의 작동 가스는 0.1 - 3 mT의 유도(induction)를 갖는 외부 영구 자기장으로 인해 이온화되는 것을 특징으로 하는, 박막 광학 코팅을 적용하기 위한 방법.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 자기장은 상기 유도 결합형 플라즈마 소스의 축 상에서 상기 프로세스 챔버 외부에 배치된 영구 전자석에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 박막 광학 코팅을 적용하기 위한 방법.
14. 청구항 9에 있어서,
    상기 플라즈마는 적어도 두 개의 플라즈마 생성 시스템을 사용하여 형성되며, 여기서 코팅은 하나의 플라즈마 생성 시스템을 사용하여 적용되며, 다른 플라즈마 생성 시스템을 사용하여 산화되는 것을 특징으로 하는, 박막 광학 코팅을 적용하기 위한 방법.

Images