KR20210063318A - 단일 빔 플라즈마 소스 - Google Patents

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보드 오브 트러스티즈 오브 미시건 스테이트 유니버시티
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Abstract

단일 빔 플라즈마 또는 이온 소스 장치(21, 221, 321, 421, 521)가 제공된다. 또 다른 측면은 일반적으로 E 단면 형상으로 배열되는 복수의 자석들(91) 및 자기 션트들(93)을 포함하는 이온 소스(25)를 사용한다. 이온 소스의 또 다른 측면은 플라즈마 소스 내부의 개방 공간 내에 위치하는 중앙 딥(117) 또는 외측 파형을 가지는 자속(115)을 생성하는 자석들 및/또는 자기 션트들을 포함한다. 다른 측면에서, 이온 소스는 상기 자석들을 둘러싸는 애노드 몸체(97)에 부착되는 제거 가능한 캡(73, 573)을 포함한다. 또 다른 측면은 타깃 스퍼터링과 동일한 내부 압력에서 동시에 이온들을 생성하는 단일 빔 플라즈마 소스(221, 521)를 제공한다.

Description

단일 빔 플라즈마 소스
본 출원은 2018년 6월 20일에 출원된 미국 가출원 번호 62/687,357의 이점을 주장한다. 상기한 출원의 전체 개시 내용은 본원에 참조로 포함된다.
본 발명은 국립 과학 재단(National Science Foundation)이 수여하는 1700785, 1700787 및 1724941에 따라 정부의 지원을 받아 만들어졌다. 정부는 본 발명에 대한 일정한 권리를 가지고 있다.
본 출원은 일반적으로 이온 소스(ion source), 특히 단일 빔 플라즈마(single beam plasma) 또는 이온 소스 장치(ion source apparatus)에 관한 것이다.
박막 공정(thin film processing)은 반도체 장치들, 디스플레이들, 태양전지 패널들, 내마모 코팅들, 센서들 및 MEMS(micro-electro-mechanical systems) 제조에 널리 사용된다. 종래의 물리 및 화학 기상 증착들(PVD 및 CVD)은 도 1에 도시된 것처럼, 제한된 운동 에너지들(limited kinetic energies)로 인해 일반적으로 공작물(2) 상에 느슨하게 충진된 원자들(loosely packed atoms)(1)을 초래한다. 미세 다공성(micro-porous) 구조들은 불안정한 재료 속성들과 장치 성능을 가져온다. 그럼에도 불구하고 이온 소스들(ion sources)은 고품질 박막들 및 장치들을 제조하는데 필수적인 도구들이 되었다.
종래의 이온 소스 중 하나는 도 2 및 도 3에 도시된 레이스트랙 디자인(racetrack design)이다. 이러한 장치는 레이스트랙 또는 링 형상의 애노드(anode)(3), 한 쌍의 중앙 및 외부 자기 극성들(magnetic poles), 및 자석들(magnets)(4)로 구성된다. 상기 애노드는 DC 전원 공급 장치의 양극 단자(positive terminal)에 접속된다. 상기 자기 극성들은 접지 전위(ground potential)에 접속되어 캐소드(5)로 작용한다. 상기 애노드 쪽으로 끌어당겨진 전자들은 ExB 방향으로 상기 전자들을 구동하는 로렌츠 힘(여기서, E는 전기장 벡터이고, B는 자기 유도 전계 벡터)을 경험한다. 따라서 상기 전자들은 상기 애노드에 직접 도달하는 대신 전자 궤적(electron trajectory)(6)에서 상기 레이스트랙을 따라 드리프트된다. 상기 제한된 전자들은 상기 공정 가스들을 이온화하고, 이후 상기 플라즈마 영역에서 추출되는 이온들(7)을 생성한다.
상기 레이스트랙 이온 소스들이 제대로 동작하려면 두 가지 중요한 요구사항들이 있다. 1) 상기 전자들은 갇혀 있도록 보장하기 위해 폐 루프(closed loop)(레이스트랙 또는 원형 링)에서 드리프트되어야 한다. 2) 상기 이온들을 추출하기 위한 강한 전기장을 생성하려면, 상기 애노드 및 캐소드 사이의 간격(gap)이 작아야 한다(몇 밀리미터). 따라서 레이스트랙 선형 소스(racetrack linear source)는 실제로 상기 직선 구간에서 두 개의 빔들(two beams)을 생성하고, 원형 소스(circular source)는 링-형상의 빔(ring-shaped beam)을 생성한다. 그러므로, 상기 방출된 이온들은 방출 각도들의 넓은 분포(wide distribution)를 가지고 있다; 연구에 따르면 관련 이온 입사각은 상기 처리된 표면들의 모폴로지(morphology)에 주목할 만한 영향을 미친다. 또한 상기 레이스트랙 이온 소스들은 상기 플라즈마 방전을 유지하기 위해 250 V 이상의 전압이 필요하다. 이것은 상기 애노드 및 캐소드 사이의 전자기장들에 의해 결정된다. 따라서 상기 이온 에너지들은 너무 높아 상기 증착된 막들을 손상시키고 상기 막 표면들을 바람직하지 않게 거칠게 만들 수 있다.
종래의 레이스트랙 이온 소스들의 상기 좁은 방출 슬릿(narrow emission slit)은 원하지 않는 재료 증착과 출구 슬릿에 인접한 상기 애노드 및 캐소드의 오염(contamination)으로 인해 빈번한 유지 보수를 초래한다. 더욱이, 종래의 레이스트랙 구조는 상기 자석들 상에 직접 상기 자기 스틸 캐소드(magnetic steel cathode)를 탑재하기 때문에, 균일한 방출 슬릿을 유지하기 위해 클리닝한 후 상기 캐소드를 재 정렬하는 것이 번거롭다. 예시적인 레이스트랙 구성들은 2016년 1월 28일 Madocks에 공개된 “셀프-클리닝 애노드를 포함하는 폐쇄 드리프트 자기장 이온 소스 장치 및 이를 이용한 기판 개질 공정”이라는 제목의 미국 특허 공개 번호 2016/0027608, 및 2017년 2월 2일 Chistyakov에 공개된 "고전력 펄스 이온 물리 기상 증착"이라는 제목의 미국 특허 공개 번호 2017/0029936에 개시되어 있고, 둘 다 본 명세서에 참조로 포함된다.
또 다른 전통적인 이온 소스는 1984 년 11 월 6 일에 Kaufman 등에 공개된 "전자 충격 이온 소스들"이라는 제목의 미국 특허 번호 4,481,062에 개시되어 있고, 이는 본 명세서에 참조로 포함된다. 이러한 접근법은 일반적으로 적어도 10-3 Torr의 일반적인 스퍼터링 압력과 호환되지 않는 저압(가령, 10-4 Torr)에서 작동한다. 또한 상기 Kaufman 이온 소스는 필라멘트(filament)를 사용하여 열이온으로(thermionically) 전자들을 방출하므로 반응성 가스들(reactive gases)과 함께 사용하기에 적합하지 않다. 더욱이 상기 디자인은 일반적으로 배출구를 가로질러 금속 그리드들(metal grids)을 사용하므로, 오염되기 쉽고 빈번한 가동 중지 및 유지 보수가 필요하다.
본 발명에 따르면, 단일 빔 플라즈마(single beam plasma) 또는 이온 소스 장치(ion source apparatus)가 제공된다.
이온 소스의 또 다른 측면은 플라즈마가 생성되는 개방 공간 내에 위치되는 중앙 딥(central dip)(혹은 '중앙 패임') 또는 외측 파형(outward undulation)을 가지는 자속(magnetic flux)을 생성하는 자석들(magnets) 및/또는 자기 션트들(magnetic shunts)을 포함한다. 또 다른 측면은 일반적으로 E 단면 형상(E cross-sectional shape)으로 배열되는 복수의 자석들 및 적어도 3개의 자기 션트들을 포함하는 이온 소스를 사용한다. 또 다른 측면에서, 이온 소스는 상기 자석들을 둘러싸는 애노드 몸체에 부착되는 제거 가능한 비-자기(removable non-magnetic) 캐소드, 캡 또는 커버를 포함하고, 상기 캡은 용이한 클리닝을 위해 상기 자기장과 상호 작용하거나 직접 부착하지 않고 용이하게 제거될 수 있도록 한다. 또 다른 측면은 동일한 공정 압력에서 다른 증착 소스들(가령, 스퍼터링 마그네트론 및 플라즈마 강화 화학 기상 증착 장비)과 동시에 이온들을 생성하는 단일 빔 플라즈마 소스(single beam plasma source)를 제공한다. 또 다른 측면은 이온 빔이 타깃에 포인팅하고 스퍼터링하거나 상기 이온 소스 플라즈마에 의해 후속적으로 해리되는 전구체 가스(precursor gas)를 도입함으로써 직접 박막 증착을 위해 단일 빔 이온 소스를 사용한다. 추가 측면은 상기 빔 플라즈마를 강화하기 위해 상기 이온 소스와 시편 사이에 무선 주파수 전자기장(radio frequency electromagnetic field)을 도입한다. 더욱이, 이온 소스는 본 장치의 추가 측면에서 주변 스퍼터 타깃 내부에 중앙에 위치한다.
본 발명의 플라즈마 소스 장치는 종래 장치들에 비해 유리하다. 예를 들어, 본 장치는 유리하게는 단면 직경 또는 폭이 약 3mm에서 적어도 30mm로 변조될 수 있는 단일 이온 빔을 방출하고, 단일 빔 선형 구성에서 임의의 길이로 만들 수 있다. 더욱이, 본 장치의 상기 빔은 동시 스퍼터링과 호환되는 광범위한 동작 압력(가령, 1 mTorr 내지 500 mTorr)에서 생성될 수 있다. 본 장치는 필라멘트를 사용하지 않기 때문에 불활성 가스와 반응성 가스를 포함하는 다양한 가스들과 유리하게 작동한다. 또한, 본 발명의 이온 소스는 최적의 이온-표면 상호 작용들(ion-surface interactions)을 위해 조정 가능한 이온 에너지들을 유도하는 30 V 내지 500 V 이상의 광범위한 방전 전압에서 작동할 수 있다.
본 발명의 장치는 또한 다음과 같은 이유로 장기간 안정적인 작동에 유리하다. 1) 직접 코팅 플럭스가 상기 활성 표면들에 도달할 수 없기 때문에 상기 애노드가 오염될 가능성이 낮다. 2) 상기 캐소드는 플로팅 전위로 설정될 수 있고 자동으로 바이어스되기 때문에 상기 코팅들에 민감하지 않다. 3) 상기 비-자기 캡 또는 커버는 종래의 장치에 비해 유지 보수를 위해 쉽게 분해 및 재 조립될 수 있다. 본 발명의 장치는 동시에 동작하는 다른 플라즈마 소스와의 간섭없이 안정된 이온 빔을 방출한다는 것이 주목할 만하다. 또 다른 이점은 상기 단일 빔 이온 소스로 인해 스퍼터링 소스의 방전 전압이 크게 감소하고, 결과적으로 스퍼터링된 막 품질이 향상된다는 것이다. 추가 특징들 및 이점들은 첨부 도면들과 함께 취해진 다음의 설명 및 첨부된 청구 범위로부터 명백해질 것이다.
도 1은 이온 소스의 도움없이 공작물 상에 원자들을 코팅하는 종래 기술을 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 2는 종래 기술의 이온 소스를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2의 상기 종래 기술의 이온 소스를 도시하는 개략적인 평면도이다.
도 4는 본 발명의 이온 소스를 보여주는 사시도이다.
도 5는 도 4의 5-5 선을 따라 취한 단면도로, 상기 캐소드가 접지로부터 분리된 본 발명의 이온 소스를 보여준다.
도 6은 본 발명의 이온 소스를 보여주는 부분 절단된 사시도이다.
도 7은 도 5와 마찬가지의 단면도로서, 상기 캐소드가 접지 전위에 연결되는 본 발명의 이온 소스로부터의 자속 선들 및 이온 방출들을 보여준다.
도 8은 본 발명의 이온 소스에 사용되는 예시적인 자석 조립체를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 9는 도 8의 화살표(9) 방향으로 취한 개략도로서, 본 발명의 이온 소스를 보여준다.
도 10은 진공 챔버 내부의 증착 소스와 동시에 작동하는 본 발명의 플라즈마 또는 이온 소스 장치를 보여주는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 이온 소스를 사용하여 공작물 상의 코팅 원자들의 상호 작용을 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 12는 본 발명의 이온 소스의 다른 실시예를 보여주는 사시도이다.
도 13은 도 12의 다른 실시예 이온 소스를 보여주는 사시도이다.
도 14는 마그네트론 소스로부터 증착되는 박막을 처리하는데 사용되는 본 발명의 플라즈마 또는 이온 소스 장치의 다른 실시예를 보여주는 개략도이다.
도 15는 상이한 방전 전압들 또는 이온 에너지들에서 본 발명의 이온 소스의 도움으로 스퍼터링에 의해 생성되는 인듐-주석-산화물("ITO") 막들의 시트 저항 그래프이다.
도 16 및 도 17은 각각 본 발명의 이온 소스의 도움없이 스퍼터링에 의해 증착되는 ITO 막들의 원자력 현미경 위상 이미지들이다.
도 18은 박막들의 직접 증착을 위한 본 발명의 플라즈마 또는 이온 소스 장치의 다른 대안적인 실시예를 보여주는 개략도이다.
도 19는 본 발명의 플라즈마 또는 이온 소스 장치의 다른 대안적인 도면을 보여주는 개략도이다.
도 20은 본 발명의 플라즈마 또는 이온 소스 장치의 다른 대안적인 실시예를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 21은 도 20의 화살표(21) 방향으로 취한 단부 입면도로서, 도 20의 대안적인 실시예의 플라즈마 또는 이온 소스 장치를 보여준다.
단일 빔 플라즈마(single beam plasma) 또는 이온 소스 장치(ion source apparatus)(21)의 바람직한 실시예는 도 4 내지 도 7 및 도 10에서 관찰될 수 있다. 이온 소스 장치(21)는 진공 챔버(vacuum chamber)(23), 이온 소스(ion source)(25), 증착 소스(deposition source)(27) 및 시편(specimen) 또는 공작물(workpiece)(29)을 포함한다. 이온 소스(25) 및 증착 소스(27)는 진공 기밀 포트들(vacuum-sealed ports)을 통해 진공 챔버(23)에 탑재된다. 상기 장치는 또한 진공 펌프(vacuum pump)(31)에 연결된 펌핑 포트(pumping port), 공정 가스 소스(process gas source)에 연결된 유입 가스 포트(input gas port), 압력 게이지들(pressure gauges) 및 선택적 히터들(optional heaters)을 포함한다. 상기 진공 챔버의 다양한 구성들은 상기 시스템의 소정의 특정 기능들에 따라 존재한다.
예시적인 이온 소스(25)는 애노드(anode)(51) 및 캐소드(cathode)(53)를 포함한다. 상기 애노드는 절연체(insulator)(55) 상에 탑재된다. 상기 캐소드는 금속 클로저 플레이트(metallic closure plate)(61) 상에 탑재되고, 상기 금속 클로저 플레이트는 차례로 진공 챔버(23)의 플랜지(flange)(59) 상에 탑재된다. 이러한 경우 캐소드(53)는 전기적 접지 전위(electrical ground potential)로 설정된다. 캐소드(53)는 외부 구조체(external structural body)(71) 및 스크류들(screws)(75)을 통해 몸체(body)에 제거 가능하게 체결된 엔드 캡(end cap)(73)을 포함하는 단일 부품 또는 두 개의 부품일 수 있다. 캐소드(53)의 캡(73)은 이온 방출 출구(ion emission outlet)를 정의하는 그 중앙에 단일 관통-개구(single through-opening)(77)로 애노드(51)를 내측으로 오버행한다(inwardly overhang). 본 발명의 예시된 실시 예에서, 캐소드(53)의 구조체(structural body)(71) 및 캡(cap)(73)은 원형 주변부들(circular peripheries)을 가지며, 개구(77)는 원형이다. 또한, 본 발명의 설명된 캡(73)은 관통-개구(77)에 인접한 절두 원추형 테이퍼진 표면(frustoconically tapered surface)(79)을 사용한다.
타원 또는 기타 단일 천공된 연장 홀 형상들과 같은 다른 아치형 형상들(arcuate shapes)이 이러한 언급된 구성요소들에 대해 사용될 수 있다는 것이 대안으로 기대된다. 도 12 및 도 13에서 다른 실시예가 관찰될 수 있는데, 여기서 캐소드(653)의 캡(673) 내의 테이퍼진 단일 관통-개구(677)는 방출 중심 평면 또는 이온들(619)의 방향에 일반적으로 수직인 측면 방향(lateral direction)으로 선형적으로 길어진다(linearly elongated). 상기 내부 애노드 구성요소들은 또한 개구(677) 아래의 플라즈마 영역을 둘러싸고 측면으로 길어진다.
도 5 내지 도 10에 설명된 예시적인 실시예를 다시 참조하면, 다수의 영구 자석들(permanent magnets)(91) 바람직하게는 2개, 및 다수의 자기 션트들(magnetic shunts)(93) 바람직하게는 3개가 애노드(51) 내에 둘러싸인다. 전기 도전성 내부 커버(electrically conductive internal cover)(94)는 본질적으로 개구(77)와 정렬된 개방 플라즈마 지역(open plasma region) 또는 영역(area)(96)을 정의한다. 자석들(91) 및 션트들(93)은 각각 동축으로 정렬된 원형 내부 에지들(circular internal edges) 및 원형 외부 에지들(circular external edges)을 가지며, 이들은 각각 중공 중앙을 가지는 링 형상(ring-shaped)이다. 자석들(91)은 상기 션트들(93) 사이에 샌드위치되거나 적층되어 상기 자석들이 상기 중간 션트에 의해 서로 이격된다. 상부 및 하부 자석들은, 예를 들어, N-S/N-S 또는 S-N/S-N과 같이 직렬로 배치된다. 더욱이, 상기 자석 및 션트 조립체의 각 측 단면은 이온 소스(25)의 중심 축(95)을 향해 연장되는 션트들(93)의 상기 길고 내부 에지들을 가지는 일반적으로 E-형상(E-shape)을 가진다. 자석들(91) 및 션트들(93)은 스크류들 또는 다른 나사형 패스너들을 통해 애노드 베이스(anode base)(99)에 결합되는 애노드 몸체(anode body)(97) 내부에 내부적으로 고정된다. 선택적 유입 가스(optional incoming gas) 또는 냉각 유체 유입구(cooling fluid inlet)(101) 및 관련 통로들은 애노드 베이스(99), 절연체(55) 및 플레이트(61)를 통해 배치된다. 자석들(91) 및 션트들(93)을 포함하는 모든 애노드(51)는 갭(gap) 또는 절연체(insulator)에 의해 모든 캐소드(53)로부터 내부적으로 이격되어 있다는 것이 주목할 만하다.
도 5의 구성에서, 상기 캐소드는 전기적으로 플로팅되거나 바이어스된 전위에서 접지로부터 격리된다. 그러나 도 7의 버전에서, 상기 캐소드는 플랜지(59)를 통해 접지 전위(ground potential)에 연결된다.
도 7 내지 도 10은 동작 중인 이온 소스 장치(21)를 설명한다. 에너지가 공급될 때, 애노드(51) 내부의 개방 플라즈마 영역(96) 내의 전구체 가스(precursor gas)는 상기 관련 전자기장에 의해 작용된 것처럼 상기 자석과 션트 조립체의 부분들 사이에서 이동하는 에너지 전자들(energetic electrons)(113)로 인해 플라즈마로 변환된다. 자속 선들(magnetic flux lines)(115)은 하나의 상부 션트(93)로부터 하부 외부 션트(93)로 또는 그 반대로 유동한다. 더욱이, 상기 자속 선들(115)의 적어도 일부의 딥(dip)(혹은 '패임')(117) 또는 외측으로 디프레스된 파형(outwardly depressed undulation)은 상기 자기 조립체에 의해 초래된 것이다. 이러한 딥(117)은 유리하게는 자속 선들(115)을 따라 유동하고 상기 애노드에 도달하기 때문에, 인접한 전자들(113)을 지연(delay) 및/또는 포획(trap)하는 역할을 한다. 따라서 이러한 딥은 유리하게는 이온화를 증가시키고, 길이 방향 중심 축(95)과 동축으로 정렬된 캐소드 캡(73)의 배출 개구(77)를 통해 방출된 이온들(119)의 플럭스 밀도를 촉진한다. 특정 구성들에서, 상기 중앙 션트(93)는 선택 사항이다. 대안으로, 개방 플라즈마 영역(96) 내부에서 상기 자기장(115)의 발생 단부와 종료 단부 사이에 다수의 딥들(dips)(117)이 제공될 수 있다고 기대된다.
이온 소스(25)의 본 발명의 바람직한 구성은 이온 빔(119)의 직경 또는 측면 폭이 3mm에서 적어도 30mm까지 조정 가능하도록 한다. 이는 배출구(77), 자석들(91) 및 션트들(93)의 상이한 크기를 통해 달성될 수 있다. 또한, 단일 이온 빔(119)은 상기 레이스트랙(racetrack) 이온 소스들로부터 생성된 종래의 링형 및 중공 중앙 이온 빔들과 대조적으로 단면에서 볼 때 중심 축 주위에 거의 균일하게 분포된(almost uniformly distributed) 이온 소스(25)로부터 방출된다. 더욱이, 본 발명의 바람직한 자석들(91) 및 션트들(93)은 원형 단일 빔 이온 소스 내에서 중심 선(95)과 동축으로 정렬된 중공 환형 링들이지만, 비록 바람직한 장점들 중 일부가 실현되지 않을 수 있음에도, 이들은 원형 또는 아치형 패턴으로 중심 선(119) 주위에 배열된 다수의 고체 막대 또는 바-타입 자석들(solid rod or bar-like magnets)로 대안으로 구성될 수 있다. 선형 단일 빔 이온 소스에서 단부들은 위에서 설명한 원형 구성의 절반을 포함하고 상기 직선 섹션은 복수의 고체 막대 또는 바-타입 자석들로 구성될 수 있다. 또한, 2 개 이상의 적층 자석 또는 전자석들이 사용될 수 있고, 만약 그렇다면, 3 개 이상의 내측으로 연장되는 톱니 또는 돌출 에지들을 가지는 일반적으로 E-단면 구성을 확장시키기 위해 추가 관련 션트들이 제공될 수 있다는 것이 또한 대안으로 기대된다.
도 10에 도시된 일 실시예에서, 이온 빔(119)은 이온 소스(25)에서 시편(29)으로 전송되며, 여기서 타깃 재료(target material)(131)는 이후에 소스(27)로부터 시편(29)의 표면 상에 증착된다. 하나의 구조적 구성에서, 시편(29)은 전기 모터 또는 솔레노이드와 같은 전자기 액추에이터(electromagnetic actuator)(135)에 결합된다. 유사한 전자기 액추에이터(similar electromagnetic actuator)(139)가 소스(27)에 결합된다. 이러한 선택적 전자기 액추에이터들(135 및 139)은 시편(29) 및 소스(27)에 회전 및/또는 선형 이동을 부여할 수 있다. 본 발명의 이온 소스 보조 증착(ion source assisted deposition)은 종래의 느슨한 원자 충진 문제(loose atom packing problem)를 효과적으로 극복하고, 도 11에 도시된 바와 같이, 유리하게는 원자들(120)의 고밀도 충진(dense packing)으로 인해 우수한 안정성, 매끄러운 막 표면, 높은 전기 도전성 및 강한 코팅 접착력을 가진 고밀도 막들(dense films)을 생성한다.
도 14는 본 발명의 단일 빔 플라즈마 또는 이온 소스 장치(221)의 대안적인 실시 예를 보여준다. 본 발명의 예시적인 구성에서, 애노드(51) 및 캐소드(73)를 포함하는 이온 소스(25)는 본질적으로 도 5 내지 도 7의 이전 실시예에서와 동일하다. 그러나, 스퍼터링 소스(sputtering source)(201)는 상기 이온 소스(25)와 동시에 작동하기 위해 사용된다. 스퍼터링 소스(201)는 마그네트론 스퍼터 건(magnetron sputter gun) 또는 다른 유형의 스퍼터링 장치이며, 일반적으로 타깃(227) 및 상기 타깃 표면 앞에 적절한 자기장을 생성하는 자석들 및 션트들의 조립체를 포함한다. 본 실시 예에서, 상기 단일 이온 빔(219)은 시편 또는 공작물(229)을 향해 직접 방출되는 반면, 타깃 재료(target material)(231)는 타깃(target)(227)으로부터 동시에 스퍼터링되고 시편(229) 상에 증착되어 코팅(coating)(233)을 형성한다. 이러한 이온 처리는 동일한 진공 챔버 압력에서 상기 스퍼터링 증착과 동시에 발생한다.
생산 설정에서, 상기 장치 구성요소들은 수직 또는 수평으로 설정될 수 있다. 또한 상기 시편은 단단하거나 유연할 수 있다. 컨베이어 또는 롤러 시스템이 본 출원에 개시된 임의의 실시예와 함께 사용될 수 있다는 것도 주목할 만하다.
이온 빔(219)은 증착된 박막(233)과 상호 작용하며, 이는 밀도, 전기전도도 및 장벽 속성과 같은 상기 막의 특성들을 직접적으로 향상시킬 것으로 예상된다. 이러한 이온 빔 지원 박막 성장은 매우 부드러운 박막들(super-smooth thin films)을 달성하고 실온과 같은 저온에서 다결정 박막들(polycrystalline thin films)을 제조하는데 이상적이다.
본 발명의 이온 소스 장치는 유리하게는 1 mTorr 내지 500 mTorr의 것과 같은 광범위한 동작 압력을 허용하며, 이는 이온 생성 및 방출이 스퍼터링과 완전히 호환될 수 있도록 한다. 더욱이, 본 발명의 이온 소스 장치는 유리하게는 필라멘트(filament)가 사용되지 않기 때문에 동작 가스와 무관하게 이온 생성 및 방출을 허용한다. 따라서 아르곤, 산소 및 기타 불활성 및 반응성 가스들(reactive gases)을 사용할 수 있다. 본 발명의 이온 소스는 전압 제어 모드 또는 전류 제어 모드에서도 동작하며, 상기 방전 전압은 30 V까지 낮을 수 있다. 더욱이, 상기 좁은 집속 이온 빔(narrow focused ion beam)은 유리하게 아킹(arcing) 없이도 안정적인 방전을 제공한다.
일 예에서, 상기 공정 가스들은 0.6 % 산소와 혼합된 아르곤으로 구성되며, 상기 압력은 3.3 mTorr로 유지된다. 스퍼터링 마그네트론(sputtering magnetron)(201)에 인가되는 전력은 30 Watts 에 고정된다. 이온 소스(25) 전원이 켜지지 않으면, 5 분 스퍼터링으로 약 36 nm 두께, 즉 분당 7.2 nm 두께의 ITO 코팅(133)이 생성된다. 반면에, 동일한 마그네트론은 30 W에서 전원이 공급되고, 상기 이온 소스는 약 96 V의 전압으로 켜진다. 5 분 증착은 52 nm 두께, 즉 분당 10.0 nm의 ITO 막을 생성한다. 따라서 상기 이온 소스는 증착 속도를 약 39 % 증가시킨다. 증착 속도와 동일한 증착 파라미터들을 기반으로, 약 100 nm 두께의 ITO 막들이 상기 이온 소스 전원이 켜지거나 켜지지 않은 상태로 실온에서 글라스 기판 상에 증착되었다. 상기 ITO 막들의 시트 저항(sheet resistance)은 도 15에서와 같이 1/5로 감소했다.
기판(29) 상으로의 타깃 재료의 스퍼터링과 동시에 이온 소스(25)로부터 이온 빔(119)의 생성 및 방출은, 유리하게 기판(29) 상의 코팅(133)의 더 부드럽고 조밀한 외부 표면(smoother and denser external surface)을 생성한다. 이는 원자들이 증착되거나 이전에 증착된 타깃 재료에 부착될 때 상기 타깃 재료 원자들에 충격을 가하는 이온들(119)에 의해 달성되며, 이에 따라 코팅 성장 및 축적에서 각 이전 층 내의 공극들로 새로운 원자들을 밀어 넣는다(도 11 참조). 이것은 코팅(133)을 증착하고, 증착 속도 증가 및 더 나은 결정성을 포함하는 그 품질을 개선하는데 이상적으로 적합하다. 본 발명의 장치에 기초한 이러한 개선들은 상기 코팅이 ITO 막들이고/또는 상기 코팅이 개선된 경도(improved hardness)를 나타낼 때 코팅(133)을 통해 더 큰 광 투과율(greater light transmittance)을 얻는다. 도 16 및 도 17은 각각 이온 소스(25) 없이 그리고 이온 소스(25)와 함께 동시에 동작하는 장치(221)를 사용하여 증착된 인듐-주석-산화물("ITO") 막들의 상기 원자력 현미경 상 이미지들(atomic force microscopy phase images)을 보여준다. 결과는 이온 소스 보조 증착이 조밀하고 매끄러운 ITO 필름들을 생성함을 나타낸다.
이제 도 18가 참조되어야 한다. 단일 빔 플라즈마 또는 이온 소스 장치(321)의 다른 실시예는 본질적으로 이전 실시예들의 것과 유사한 애노드(51) 및 캐소드(73)를 가지는 이온 소스(25)를 포함한다. 이러한 장치는 유입구(101) 또는 이온 소스(25)로의 다른 원격 입구로부터 화학 전구체 가스(chemical precursor gas)를 방출하여, 상기 전자기장들에 의해 내부에 생성된 상기 플라즈마가 이후에 시편 또는 공작물(329) 상에 코팅(333)으로 증착되는 소정의 화학 종들을 생성한다. 그러한 가스 전구체 중 하나는 CH4이다. 이러한 화학 기상 증착 공정은 탄소 코팅들을 증착 및 성장시킨다. 대안으로, 탄소계 스퍼터 타깃(carbon-based sputter target)은 상기 시편 코팅으로서 탄소 원자를 생성하기 위해 본 명세서에 개시된 다른 실시 예들 중 임의의 것과 같이 사용될 수 있다.
본 발명의 예시적인 구성에서, 컨베이어 시스템(conveyor system) 상의 시편(329)은 상기 이온 소스를 가로 질러 이동하여 코팅된다. 롤-투-롤 코팅 장치(roll-to-roll coating arrangement)(301)는 또한 가요성 PET 막, 가요성 및 얇은 스테인리스 강판 등을 코팅할 수 있다. 이러한 막 및 롤러 구성은 본 명세서에 개시된 임의의 실시예와 함께 사용될 수 있다.
도 19는 단일 빔 플라즈마 또는 이온 소스 장치(421)의 다른 실시예를 도시한다. 이온 소스(25)의 애노드(51) 및 캐소드(53)는 본질적으로 이전 실시예에서와 동일하다. 또한, 무선 주파수("RF") 유도 코일(401)은 이온 소스(25)와 시편(429) 사이에 탑재되고, 이격된다. 무선 주파수 유도 코일(radio frequency induction coil)(401)은 상기 이온 소스(25)의 상기 동작 중에 전자기장을 생성하여, 단일 소스 이온 빔(419)이 배출 홀(outlet hole)(77)로부터 코일(coil)(401)의 중공 중앙(hollow center)(403)을 통과하고, 기판(429)의 코팅(433) 상으로 지나간다. 상기 RF 주파수는 바람직하게는 약 1 MHz 내지 60 MHz, 더욱 바람직하게는 13.56 MHz이다.
무선 주파수 유도 코일(radio frequency induction coil)(401)은 이온 소스(25) 및 시편(429)과 함께 상기 진공 챔버 내부에 위치하는 것이 바람직하지만, 이들은 무선 주파수 유도 코일(401)이 이온 소스(25)로부터 시편(429)의 반대쪽에 있을 수 있도록 대안으로 구성될 수 있다. 무선 주파수 유도 코일(401)은 유리하게는 추가 이온들을 생성하고, 이온 빔(419) 내의 이온들을 조밀화할 것이다. 또한 상기 무선 주파수 유도 코일은 시편(429)에 코팅 또는 막들(433)을 증착할 때 더 나은 제어 및 초점을 위해 이온 빔(419)을 형성하는데 도움이 될 것으로 구상된다.
이제 도 20 및 도 21을 참조하면, 단일 빔 또는 이온 플라즈마 소스 장치(521)의 다른 실시예는 이온 소스(ion source)(525) 및 스퍼터링 타깃(sputtering target)(527)을 포함한다. 이온 소스(525)는 여기에 개시된 이전 실시예들과 유사하다. 더욱이, 이온 소스(525)는 바람직하게는 단일 및 중앙 배출 홀(577)을 가지는 캐소드 캡(573)을 포함하며, 이를 통해 단일 이온 빔(519)이 방출되어 진공 챔버 내의 시편 또는 공작물(529) 상의 코팅(533)의 생성에 도움이 된다.
도전성 금속 재료의 환형 받침대(annular pedestal)(501)는 절연체(insulator)(555) 상에 탑재되고, 그 위에 환형 스퍼터 타깃(annular shaped sputter target)(527)을 탑재하는 역할을 한다. 이온 소스(525)는 타깃(527) 및 받침대(501)의 중공 중앙 내에 동심원(concentrically) 및 동축으로(coaxially) 위치된다. 이는 동일한 내부 진공 챔버 압력에서 유리하게 동작하는 통합되고 동시에 동작하는 스퍼터링 및 이온 방출 소스들을 제공한다. 유익하게 기대되는 점은, 본 발명의 통합된 동심원 소스들은 원격 오프셋 이온 및 타깃 소스들로 달성되는 것보다, 스퍼터링된 재료 증착 및 상기 증착된 원자들과의 이온 방출 상호작용 모두에 대해 더 짧은 시간에 더 큰 시편 영역을 더 빠르게 커버할 수 있다. 본 발명의 통합된 동심원 소스들이 종래 장치들보다 더 완전한 이온-활성화 스퍼터링(ion-activated sputtering)을 더 균일한 방식으로 제공할 수 있다는 것이 또한 기대된다. 보다 구체적으로, 본 발명의 통합된 동심원 소스들은 상기 시편과 보다 유리하게 정렬되어 오프셋 각진 스퍼터링 타깃 위치들에 비해 보다 균일한 코팅을 달성할 것으로 기대된다. 유사한 원리는 스퍼터링 마그네트론 또는 기타 증착 소스들과 통합된 선형으로 연장되는 형상의 단일 빔 이온 소스로 확장될 수 있다.
다양한 실시예들이 개시되었지만, 다른 변형들이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 소정의 장점들 중 일부가 실현되지 않을 수 있지만, 특정 자석 및 션트 수량들 및 모양들이 다양화될 수 있다. 추가로, 특정 장점들이 달성되지 않을 수 있지만, 외부 몸체, 절연체 및 베이스 형상들과 크기들은 다양화될 수 있다. 또한, 예시적인 타깃 및 시편 재료들이 확인되었지만 다른 재료들이 사용될 수 있다. 더욱이, 각각의 특징들은 개시된 실시예들 중 임의의 것 및 모든 것 사이에서 상호 교환되고 상호 혼합될 수 있고, 청구항들 중 임의의 것은 다른 것들 중 임의의 것에 의존할 수 있다. 상기 단일 빔 플라즈마 또는 이온 소스들의 다양한 응용들이 개시되었지만, 직접 스퍼터링 또는 타깃 표면 에칭과 같은 다른 응용들에 상기 소스들을 사용하는 것은 본 발명의 정신 또는 범위에서 벗어나는 것으로 간주되지 않는다. 추가의 변경들 및 수정들은 본 발명의 정신 또는 범위를 벗어나는 것으로 간주되지 않다.

Claims (77)

  1. 이온 소스 장치(ion source apparatus)로서,
    (a) 이온 방출 축(ion emission axis)을 향해 내측으로 연장되는(inwardly extending) 적어도 하나의 자기 도체(magnetic conductor)를 포함하는 애노드(anode) - 개방 플라즈마 영역(open plasma area)이 상기 애노드의 중공 중앙 영역(hollow central area) 내부에 위치됨 -;
    (b) 관통 단일 배출 개구(single outlet opening)를 가지는 캡(cap)을 포함하는 캐소드(cathode) - 상기 배출 개구는 상기 축과 정렬됨 -; 및
    (c) 상기 적어도 하나의 자기 도체의 최상부 및 최하부 섹션들(uppermost and lowermost sections) 사이에서 연장되는 자속 선들(magnetic flux lines) - 상기 자속 선들은 상기 적어도 하나의 자기 도체의 중간 섹션(middle section)에 인접한 중앙 외측 딥(central outward dip)을 포함하고, 상기 자속 선들의 상기 딥은 상기 개방 플라즈마 영역 내에 있고, 상기 딥은 상기 딥에 인접한 전자들의 이동을 변경시켜 상기 애노드 안쪽(inside) 플라즈마 내부에(within) 이온화를 증가시킴 -;
    을 포함하는,
    이온 소스 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적층된 배열(stacked arrangement)로 복수의 상기 자기 도체들 사이에 위치되는 환형 영구 자석들(annular permanent magnets); 및
    상기 복수의 자기 도체들은 환형이고(annular), 상기 영구 자석들보다 상기 축을 향해 내측으로 돌출되는(inwardly projecting) 금속 션트들(metallic shunts) - 상기 션트들은 상기 섹션들에 대응함 -;
    을 추가 포함하는,
    이온 소스 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 캐소드는 상기 자석들과 상기 션트들을 동심원으로 둘러싸는 몸체(body)를 추가 포함하고,
    상기 캐소드의 상기 캡은 상기 애노드로부터 측면으로 이격된 상기 몸체에 직접 그리고 제거 가능하게 부착되고(directly and removeably attached), 상기 캡은 상기 자석들 및 션트들을 내측으로 오버행하는(inwardly overhanging),
    이온 소스 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    이온들은 단면에서 볼 때 상기 방출 축 주위에 실질적으로 균일하게 분포되고, 상기 방출 축을 따라 상기 배출 개구를 통해 방출되는, 단일 이온 빔(single ion beam);
    을 추가 포함하는,
    이온 소스 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    전구체 가스(precursor gas)를 포함하는 진공 챔버(vacuum chamber);
    상기 진공 챔버 내에 위치되며, 상기 단일 이온 빔을 수용하는 스퍼터 타깃(sputter target); 및
    적어도 3개의 이격된 션트들을 포함하는 상기 적어도 하나의 자기 도체 - 상기 최상단 섹션은 상기 션트들 중 제1션트이고, 상기 최하단 섹션은 상기 션트들 중 제3션트이고, 상기 중간 섹션은 그 사이에 위치하는 제2션트임 -;
    을 추가 포함하는,
    이온 소스 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 단일 배출 개구는 상기 방출 축에 실질적으로 수직인 방향에서 선형으로 연장되는(linearly elongated),
    이온 소스 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 단일 배출 개구는 상기 개구를 둘러싸는 상기 캡 상에 절두 원추형 테이퍼 표면(frustoconical tapered surface)이 있는 원형인(circular),
    이온 소스 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    증착 소스(deposition source);
    를 추가 포함하고,
    상기 적어도 하나의 자기 도체의 일부는 상기 증착 소스 내부에 적어도 부분적으로 동심원으로 위치되는(concentrically located),
    이온 소스 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    시편(specimen);
    을 추가 포함하고,
    상기 애노드 및 캐소드는 상기 방출 축 주위에 이온 단면이 실질적으로 균일하게 분포되는 단일 이온 빔(single ion beam)을 방출하여, 상기 시편 상에 증착 재료의 박막(thin film)을 증착하는데 도움이 되는,
    이온 소스 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    시편(specimen);
    을 추가 포함하고,
    상기 애노드 및 캐소드는 상기 방출 축 주위에 이온 단면이 실질적으로 균일하게 분포되는 단일 이온 빔(single ion beam)을 방출하여, 탄소계 전구체 가스(carbon-based precursor gas)의 도움으로 시편 상에 탄소계 코팅(carbon-based coating)을 증착하는데 도움이 되는,
    이온 소스 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드 및 상기 캐소드로부터 방출된 이온 빔을 둘러싸는 무선 주파수 코일(radio frequency coil);
    을 추가 포함하고,
    상기 코일은 상기 애노드 및 상기 캐소드로부터 길이 방향으로 이격되는,
    이온 소스 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    스퍼터 타깃(sputter target);
    을 추가 포함하고,
    상기 애노드 및 상기 캐소드는 동일한 압력에서 동시에 이온 방출 및 스퍼터링을 유발하도록 구성되는,
    이온 소스 장치.
  13. 이온 소스 장치로서,
    (a) 복수의 자석들 및 복수의 도전성 션트들을 포함하는 애노드(anode) - 상기 션트들은 서로 이격됨 -;
    (b) 상기 자석들 및 션트들과 동축으로 정렬된 관통 단일 배출구(single outlet therethrough)을 정의하는 내부적으로 오버행하는 캡(internally overhanging cap)을 포함하는 캐소드(cathode) - 상기 자석들 및 상기 배출구는 동축 중심 선(coaxial centerline)을 가짐 -; 및
    (c) 상기 중심 선을 향해 내측으로 포인팅하는 상기 션트들의 원위 단부들과 함께 실질적으로 E-단면 형상(E-cross-sectional shape)을 정의하는 상기 자석들과 상기 션트들;
    을 포함하는,
    이온 소스 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    단면에서 볼 때 상기 중심 선 주위에 실질적으로 균일하게 분포된 이온들을 가지는 단일 이온 빔(single ion beam) - 상기 단일 이온 빔은 상기 애노드 내부의 플라즈마 내에 생성되고, 상기 중심 선을 따라 상기 배출구를 통해 길이 방향으로 방출됨 -;
    을 추가 포함하는,
    이온 소스 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 단일 이온 빔을 수용하는 증착 타깃(deposition target);
    절연체(insulator) 또는 상기 애노드 중 적어도 하나의 이온 소스 구성요소에 인접하게 위치되는 가스 유입구(gas inlet); 및
    폐 루프 형상(closed loop shape)을 각각 가지는 상기 자석들 및 상기 션트들;
    을 추가 포함하는,
    이온 소스 장치.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 션트들의 최상부 및 최하부 사이에서 연장되고, 중앙 외측 딥(central outward dip)을 포함하는 자속 선들 - 상기 중앙 외측 딥은 전자 이동을 지연 또는 포획하여, 상기 배출구를 통해 방출되는 이온화를 증가시킴 -;
    을 추가 포함하는
    이온 소스 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 자속 선들의 상기 딥은 상기 자석들과 상기 션트들 중 적어도 하나에 의해 측면으로 둘러싸인 플라즈마 영역 내에 있는,
    이온 소스 장치.
  18. 제 13 항에 있어서,
    애노드 영역 내부에서 플라즈마 내로 전환되는 반응성 가스(reactive gas) - 상기 장치는 필라멘트(filament)를 사용하지 않음 -;
    을 추가로 포함하는,
    이온 소스 장치.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 캐소드는 상기 자석들과 상기 션트들을 동심원으로 둘러싸는 구조체(structural body); 를 추가 포함하고,
    상기 캐소드의 상기 오버행하는 캡은 상기 구조체에 직접 그리고 제거 가능하게 부착되고, 상기 캡 및 상기 구조체는 상기 애노드로부터 이격되는,
    이온 소스 장치.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 자석들은 상기 션트들 중 중간 션트에 의해 분리된 영구 자석이고, 상기 션트들은 각각 상기 자석보다 측면으로 더 연장되는,
    이온 소스 장치.
  21. 제 13 항에 있어서,
    스퍼터 타깃(sputter target);
    을 추가 포함하고,
    상기 애노드 및 캐소드는 동일한 압력에서 이온 방출 및 스퍼터링을 동시에 유발하도록 구성되는,
    이온 소스 장치.
  22. 제 13 항에 있어서,
    증착 소스(deposition source);
    를 추가 포함하고,
    상기 자석들 중 적어도 하나는 상기 증착 소스 내부에 적어도 부분적으로 동심원으로 위치되는,
  23. 제 13 항에 있어서,
    시편(specimen);
    을 추가 포함하고,
    상기 애노드 및 캐소드는 단면에서 볼 때 상기 중심 선 주위에 이온들이 실질적으로 균일하게 분포되는 단일 이온 빔(single ion beam)을 방출하여, 상기 시편 상에 증착 재료의 박막을 증착하는데 도움이 되는
    이온 소스 장치.
  24. 제 13 항에 있어서,
    시편(specimen);
    을 추가 포함하고,
    상기 애노드 및 캐소드는 단면에서 볼 때 상기 중심 선 주위에 이온들이 실질적으로 균일하게 분포되는 단일 이온 빔(single ion beam)을 방출하여, 탄소계 전구체 가스(carbon-based precursor gas)의 도움으로 상기 시편에 탄소계 코팅(carbon-based coating)을 증착하는데 도움이 되는,
    이온 소스 장치.
  25. 제 13 항에 있어서,
    상기 애노드 및 상기 캐소드로부터 방출된 이온 빔을 둘러싸는 무선 주파수 코일(radio frequency coil);
    을 추가 포함하고,
    상기 코일은 상기 애노드 및 상기 캐소드로부터 길이 방향으로 이격되는,
    이온 소스 장치.
  26. 이온 소스 장치(ion source apparatus)로서,
    (a) 복수의 자석들(magnets) 및 복수의 전도성 션트들(conductive shunts)을 포함하는 애노드(anode);
    (b) 관통 이온 방출 배출구를 가지는 내측으로 오버행하는 캡(internally overhanging cap)을 포함하는 캐소드(cathode);
    (c) 상기 자석들과 상기 션트들을 외부에서 둘러싸는 구조체(structural body) - 상기 구조체는 상기 애노드로부터 이격됨 -; 및
    (d) 상기 구조체에 직접 제거 가능하게 부착되는(removeably attached directly) 상기 캡;
    을 포함하는,
    이온 소스 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 자석들 및 상기 션트들은 실질적으로 E-단면 형상의 배향(E-cross-sectionally shaped orientation)을 포함하는,
    이온 소스 장치.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 자석들, 션트들, 캡 및 구조체는 모두 실질적으로 원형의 주변부(circular peripheries)를 가지고, 상기 배출구는 상기 애노드 내부의 플라즈마로부터 단일 이온 빔을 방출하도록 구성되는 단일 원형 개구(single circular opening)인,
    이온 소스 장치.
  29. 제 26 항에 있어서,
    상기 배출구는 상기 캡으로부터 이온 방출 방향에 실질적으로 수직인 방향으로 연장되는 단일 선형 연장 개구(single linearly elongated opening)인,
    이온 소스 장치.
  30. 제 26 항에 있어서,
    상기 애노드 및 캐소드가 그 내부에 위치되는 진공 챔버(vacuum chamber);
    상기 진공 챔버 내부에 위치되는 스퍼터 타깃(sputter target);
    상기 진공 챔버 내부에 위치되는 증착 소스(deposition source); 및
    상기 증착 소스로부터 상기 시편 상으로 재료를 증착하는 동시에 동일한 진공 챔버 내부 압력에서 상기 배출구에서 방출되는 단일 이온 빔(single ion beam);
    을 추가 포함하는,
    이온 소스 장치.
  31. 제 26 항에 있어서,
    상기 자석들 및 상기 션트들에 부착되고 이를 둘러싸는 애노드 몸체(anode body);
    그 사이에 갭(gap)을 두고 상기 애노드 몸체를 둘러싸는 상기 구조체;
    상기 캡을 상기 구조체에 고정하는 나사형의 패스너들(threaded fasteners);
    상기 배출구 반대편의 상기 애노드 몸체의 단부에 탑재되는 애노드 베이스(anode base); 및
    상기 애노드 베이스를 상기 구조체에 결합시키는 절연체(insulator);
    를 추가 포함하는,
    이온 소스 장치.
  32. 제 26 항에 있어서,
    상기 캡 및 구조체는 각각 실질적으로 원형 주변부(circular periphery)를 가지며, 상기 캡은 또한 실질적으로 원형인 상기 배출구에 인접한 테이퍼(taper)를 가지는,
    이온 소스 장치.
  33. (a) 진공 챔버(vacuum chamber);
    (b) 자석들을 포함하는 애노드 및 그 내부에 이온 방출-배출구를 가지는 캐소드를 포함하는 이온 소스(ion source) - 상기 이온 소스는 상기 진공 챔버 내에 위치됨 -;
    (c) 진공 챔버 내에 위치되는 스퍼터 타깃(sputter target);
    (d) 이온 빔을 생성하고 상기 스퍼터 타깃으로부터 스퍼터링 재료와 동시에 단일 이온 빔을 방출할 수 있는 상기 이온 소스 - 상기 이온 방출 및 상기 스퍼터링은 1 mTorr 내지 500 mTorr 중 어느 한 진공 챔버 압력에서 스퍼터링 코팅을 증착할 수 있음 -;
    을 포함하는,
    장치.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 애노드는 션트들을 추가 포함하고,
    상기 자석들 및 상기 션트들은 상기 애노드의 중심 선을 향해 상기 자석들을 지나 측면 방향으로 연장되는 상기 션트들의 에지들을 가지는 실질적으로 E-단면 형상 배향을 포함하는,
    장치.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 션트들의 최상부 및 최하부 사이에서 연장되고, 중앙 외측 딥(central outward dip)을 포함하는 자속 선들(magnetic flux lines) - 상기 중앙 외측 딥은 상기 딥에서 전자 이동을 지연 또는 포획하여 상기 배출구를 통해 방출되는 이온화를 증가시킴 -;
    을 추가 포함하는,
    장치.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 자속 선들의 상기 딥은 상기 자석들 및 상기 션트들 중 적어도 하나에 의해 측면 방향으로 둘러싸인 개방 플라즈마 영역 내에 있는,
    장치.
  37. 제 33 항에 있어서,
    단면에서 볼 때 방출 축 주위에 실질적으로 균일하게 분포된 이온들을 가지고 상기 배출구를 통해 방출되는 단일 이온 빔(single ion beam);
    을 추가 포함하는,
    장치.
  38. 제 33 항에 있어서,
    상기 스퍼터 타깃은 상기 애노드의 적어도 일부를 동심원으로 둘러싸는,
    장치.
  39. 제 33 항에 있어서,
    상기 애노드의 베이스에 인접하게 위치되는 가스 유입구(gas inlet) - 상기 가스는 반응성 가스이고, 상기 장치는 필라멘트를 사용하지 않음 -;
    을 추가 포함하는,
    장치.
  40. 제 33 항에 있어서,
    공작물(workpiece);
    을 추가 포함하고,
    상기 애노드 및 캐소드는 단면에서 볼 때 방출 축 주위에 이온들이 실질적으로 균일하게 분포되는 단일 이온 빔(single ion beam)을 방출하여, 상기 공작물 상에 스퍼터 재료의 박막을 증착하는데 도움이 되는,
    장치.
  41. 공작물(workpiece);
    을 추가 포함하고,
    상기 애노드 및 상기 캐소드는 실질적으로 측면으로 균일한 단면 이온 중앙을 가지는 단일 이온 빔(single ion beam)을 방출하여, 탄소계 전구체 가스(carbon-based precursor gas)의 도움으로 상기 공작물에 탄소계 코팅(carbon-based coating)을 증착하는데 도움이 되는,
    장치.
  42. 제 33 항에 있어서,
    상기 애노드 및 상기 캐소드로부터 방출된 이온 빔을 둘러싸는 무선 주파수 코일(radio frequency coil) - 상기 코일은 상기 이온 소스로부터 길이 방향으로 이격됨 -;
    을 추가 포함하는,
    장치.
  43. 제 33 항에 있어서,
    공급 롤러 및 테이크 업 롤러 사이에 걸쳐 있는 가요성 공작물(flexible workpiece) - 상기 이온 소스로부터 방출되는 상기 단일 이온 빔은 재료가 상기 스퍼터 타깃으로부터 스퍼터링되고 상기 가요성 공작물 상에 증착되도록 함 -;
    을 추가 포함하는,
    장치.
  44. 제 33 항에 있어서,
    상기 진공 챔버 내부에 이동 가능한 글라스 시트 공작물(glass sheet workpiece) - 상기 이온 소스로부터 방출되는 상기 단일 이온 빔은 재료가 상기 스퍼터 타깃으로부터 스퍼터링되고 상기 글라스 시트 공작물 상에 증착되도록 함 -;
    을 추가 포함하는,
    장치.
  45. (a) 진공 챔버(vacuum chamber);
    (b) 자석들을 포함하는 애노드 및 내부에 이온 방출-배출구를 가지는 캐소드를 포함하는 이온 소스(ion source) - 상기 이온 소스는 상기 진공 챔버 내에 위치됨 -;
    (c) 상기 진공 챔버 내에 위치되는 증착 소스(deposition source);
    (d) 상기 이온 소스는 상기 증착 소스와 동축이고, 상기 증착 소스는 상기 이온 소스의 적어도 일부를 둘러쌈;
    을 포함하는,
    장치.
  46. 제 45 항에 있어서,
    상기 증착 소스는 상기 배출구에 인접한 상기 이온 소스의 일부를 둘러싸는 중공 중앙을 가지는 환형인,
    장치.
  47. 제 46 항에 있어서,
    상기 이온 소스의 상기 캐소드로부터 이격되고, 상기 애노드로부터 이격되는 제2캐소드 받침대(second cathode pedestal) - 상기 증착 소스는 상기 제2캐소드 받침대의 원위 단부 상에 탑재되는 스퍼터 타깃(sputter target)을 포함함 -;
    을 추가 포함하는,
    장치.
  48. 제 47 항에 있어서,
    상기 배출구 반대편의 상기 이온 소스의 단부에 인접하게 위치되는 절연체(insulator) - 상기 제2캐소드 받침대는 환형이고 유체 냉각되고, 상기 제2캐소드 받침대는 상기 이온 소스의 외주에 있는 상기 절연체에 결합됨 -;
    를 추가 포함하는,
    장치.
  49. 제 45 항에 있어서,
    상기 이온 소스는 상기 진공 챔버 내에 동일한 압력에서 상기 증착 소스로부터 상기 시편으로 스퍼터링된 재료를 증착하는 동시에 상기 시편에 이온들을 생성 및 방출하는,
    장치.
  50. 제 45 항에 있어서,
    상기 애노드는 션트들을 추가 포함하고,
    상기 자석들 및 상기 션트들은 상기 애노드의 중심 선을 향해 상기 자석들을 지나 연장되는 상기 션트들의 에지들을 가지는 실질적으로 E-단면 형상으로 배향되는,
    장치.
  51. 제 45 항에 있어서,
    단면으로 볼 때 방출 축 주위에 실질적으로 균일하게 분포되는 이온들을 가지고, 상기 배출구를 통해 방출되는 단일 이온 빔(single ion beam);
    을 추가 포함하는,
    장치.
  52. 제 45 항에 있어서,
    상기 애노드의 베이스에 인접하게 위치되는 가스 유입구(gas inlet) - 상기 가스는 반응성 가스이고, 장치는 필라멘트를 사용하지 않음 - ;
    를 추가 포함하는,
    장치.
  53. (a) 진공 챔버(vacuum chamber);
    (b) 자석들을 포함하는 애노드 및 그 내부에 배출구를 가지는 캐소드를 포함하는 이온 소스(ion source) - 상기 이온 소스는 상기 진공 챔버 내에 위치되고, 상기 이온 소스는 플라즈마 내에서 이온 빔을 생성하고 상기 배출구를 통해 상기 이온 빔을 방출하도록 구성됨 -;
    (c) 상기 진공 챔버(vacuum chamber) 내에 위치되는 증착 소스(deposition source); 및
    (d) 상기 이온 소스로부터 길이 방향으로 연장되는 이온 빔 축과 동축으로 정렬되는 중공 중앙을 가지는 무선 주파수 유도 코일(radio frequency induction coil) - 상기 코일은 상기 이온 소스로부터 길이 방향으로 이격됨 -;
    을 포함하는,
    장치.
  54. 제 53 항에 있어서,
    상기 애노드는 션트들(shunts)을 추가 포함하고,
    상기 자석들 및 상기 션트들은 상기 애노드의 중심 선을 향해 상기 자석을 지나 연장되는 상기 션트들의 에지들을 가지는 실질적으로 E-단면 형상 배향(E-cross-sectionally shaped orientation)을 포함하는,
    장치.
  55. 제 54 항에 있어서,
    상기 션트들의 최상부 및 최하부 사이에서 연장되고, 중앙 외측 딥(central outward dip)을 포함하는 자속 선들(magnetic flux lines) - 상기 중앙 외측 딥은 상기 딥에서 전자 이동을 지연 또는 포획하여, 상기 배출구를 통해 방출되는 이온화를 증가시킴 -;
    을 추가 포함하는,
    장치.
  56. 제 54 항에 있어서,
    상기 캐소드는 상기 자석들 및 상기 션트들을 동심원으로 둘러싸는 구조체(structural body)를 추가 포함하고,
    상기 캐소드의 오버행하는 캡은 상기 구조체에 직접 그리고 제거 가능하게 부착되는,
    장치.
  57. 제 53 항에 있어서,
    단면에서 볼 때 상기 축 주위에 실질적으로 균일하게 분포되는 이온들을 가지고, 상기 축을 따라 상기 배출구를 통해 방출되는 단일 이온 빔(single ion beam);
    을 추가 포함하는,
    장치.
  58. 제 57 항에 있어서,
    상기 증착 소스는 상기 단일 이온 빔을 수용하는 스퍼터 타깃이고,
    전구체 가스를 상기 애노드로 방출하는 가스 유입구(gas inlet);
    를 추가 포함하는,
    장치.
  59. 제 53 항에 있어서,
    상기 애노드의 베이스에 인접하게 위치되는 가스 유입구(gas inlet) - 상기 가스는 반응성 가스이고, 상기 장치는 필라멘트를 사용하지 않음 -;
    를 추가 포함하는,
    장치.
  60. 제 53 항에 있어서,
    상기 코일은 추가 이온들을 생성하고 상기 이온 소스로부터 통과하는 이온 빔을 형상화하는,
    장치.
  61. (a) 진공 챔버(vacuum chamber);
    (b) 복수의 자석들 및 복수의 도전성 션트들을 포함하는 애노드(anode) - 상기 자석들 및 상기 션트들은 각각 폐 루프 형상(closed loop shape)을 가지며, 상기 션트들은 서로 이격됨 -;
    (c) 관통 배출구를 정의하는 캡(cap)을 포함하는 캐소드(cathode);
    (d) 탄소계 전구체 가스(carbon-based precursor gas)를 상기 애노드에 작동 가능하게 공급하는 가스 유입구(gas inlet);
    (e) 상기 진공 챔버 내부의 상기 애노드 및 캐소드로부터 이격되는 공작물(workpiece); 및
    (f) 단일 이온 빔(single ion beam)을 생성하도록 작동 가능하게 구성되는 상기 애노드 및 캐소드 - 상기 단일 이온 빔은 상기 배출구로부터 작동 가능하게 방출되어 상기 공작물 상에 탄소계 코팅을 증착하는데 도움이 됨 -;
    을 포함하는,
    장치.
  62. 제 61 항에 있어서,
    상기 공작물은 내연 기관 구성요소(internal combustion engine component)인,
    장치.
  63. 제 61 항에 있어서,
    상기 전구체 가스는 CH4를 포함하는,
    장치.
  64. 제 61 항에 있어서,
    상기 션트들의 최상부 및 최하부 사이에서 연장되고, 중앙 외측 딥을 포함하는 적어도 하나의 자속 선(magnetic flux line) - 상기 중앙 외측 딥은 상기 딥에서 전자 이동을 지연 및 포획하여 상기 단일 개구인 상기 배출구를 통해 방출되는 이온화를 증가시킴 -;
    을 추가 포함하는,
    장치.
  65. 제 61 항에 있어서,
    상기 자석들은 상기 션트들 중 중간 션트에 의해 분리되는 영구 자석들이고, 상기 션트들은 각각 상기 자석들보다 측면 방향으로 더 연장되는,
    장치.
  66. 제 61 항에 있어서,
    상기 자석들과 상기 션트들은 실질적으로 E-단면 형상으로 배향되는,
    장치.
  67. 제 61 항에 있어서,
    상기 진공 챔버 내에 위치하는 증착 소스(deposition source);
    를 추가 포함하고,
    상기 배출구는 상기 캡 상의 절두 원추형 테이퍼 표면으로 둘러싸인 단일 원형 개구(single circular-shaped opening)인,
    장치.
  68. 재료 코팅 기계(material coating machine) 내 이온 소스(ion source)를 사용하는 방법으로서,
    (a) 전구체 가스(precursor gas)를 상기 이온 소스의 자석들 및 션트들 내부의 중공 중앙 영역으로 유동시키는 단계;
    (b) 상기 이온 소스 내부의 상기 자석들 및 션트들로부터 적어도 하나의 자속 경로(magnetic flux path)를 생성하는 단계;
    (c) 상기 션트들 사이로 연장되는 상기 적어도 하나의 자속 경로가 상기 중공 중앙 영역 내부의 그 중간 부분에 인접한 외측 딥(outward dip)을 가지도록 하는 단계;
    (d) 상기 가스와 상호 작용하는, 상기 적어도 하나의 자속 경로에 의해 이온 빔을 생성하는 단계; 및
    (e) 상기 재료 코팅 기계 내부의 상기 이온 소스로부터 상기 이온 빔을 방출하는 단계;
    을 포함하는,
    방법.
  69. 제 68 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자속 경로의 상기 딥에서 전자 이동을 지연시키는 단계;
    를 추가 포함하는,
    방법.
  70. 제 68 항에 있어서,
    상기 방출된 이온 빔의 이온 밀도(ion density)를 증가시키는 단계 - 상기 방출된 이온 빔은 상기 적어도 하나의 자속 경로의 상기 딥에 적어도 부분적으로 기인하여, 단면에서 볼 때 이온 방출 축 주위에 실질적으로 균일하게 분포되는 이온들을 가짐 -;
    를 추가 포함하는,
    방법.
  71. 제 68 항에 있어서,
    단일 원형 배출구를 가지는, 내부적으로 오버행하는 캐소드 캡(internally overhanging cathode cap)을 구조체에 직접적으로 분리 및 재 부착하는 단계 - 상기 구조체는 상기 자석들 및 션트들 중 적어도 하나가 탑재되는 애노드 몸체를 둘러싸고 애노드 몸체로부터 측면 방향으로 이격됨 -;
    를 추가 포함하는,
    방법.
  72. 제 68 항에 있어서,
    상기 이온 빔을 생성하는 것과 본질적으로 동시에 시편 상에 스퍼터 재료(sputter material)의 코팅을 증착하는 단계;
    를 추가 포함하는,
    방법.
  73. 제 68 항에 있어서,
    상기 기계 내부의 시편 상에 탄소계 코팅(carbon-based coating)을 증착하는 단계;
    를 추가 포함하는,
    방법.
  74. 제 68 항에 있어서,
    상기 이온 소스로부터 길이 방향으로 이격되는 무선 주파수 코일(radio frequency coil)에 에너지를 공급하여, 상기 이온 빔을 변경하는 단계;
    를 추가 포함하는,
    방법.
  75. 제 68 항에 있어서,
    롤러들 사이에 걸쳐 있는 가요성 시편(flexible specimen)을 추가로 포함하며,
    상기 이온 소스로부터 방출되는 상기 이온 빔은 재료가 스퍼터 타깃으로부터 스퍼터링되어 상기 시편 상에 증착되도록 하는,
    방법.
  76. 제 68 항에 있어서,
    진공 챔버 내부에 이동 가능한 글라스 시트 시편(glass sheet specimen)을 추가 포함하고,
    상기 이온 소스로부터 방출되는 상기 이온 빔은 재료가 증착 소스로부터 이동하여 상기 글라스 시트 시편 상에 증착되도록 하는,
    방법.
  77. 제 68 항에 있어서,
    이온 빔을 사용하여 재료 증착 중에 상기 코팅 표면에 충격을 가해, 상기 코팅 표면을 생성하는 원자들을 매끄럽고(smooth) 조밀하게(densify) 하는 단계;
    를 추가 포함하는,
    방법.
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