KR20220053651A - 열 증발 플라즈마 증착 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 물질 증기를 생성하도록 구성된 유도 도가니 장치를 포함하는 증착 시스템에 관한 것이다. 유도 도가니 장치는 사용 시 도가니를 유도 가열하여 도가니 내에 2개 이상의 열 구역을 생성하도록 구성된다. 증착 시스템은 기판을 지지하도록 구성된 기판 지지부, 및 적어도 부분적으로 플라즈마를 통한 물질 증기의 전달이 기판 상에 증착을 위한 증착 물질을 생성하게끔 유도 도가니 장치와 기판 지지부 사이에 플라즈마를 생성하도록 구성된 플라즈마 소스를 더 포함한다.
Description
본 발명은 기판 상에 증착하기 위한 증착 물질을 생성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
증착은 물질이 기판에 증착되는 공정이다. 증착의 예는 얇은 층(일반적으로 나노미터 또는 나노미터의 분수에서 수 마이크로미터 또는 수십 마이크로미터까지)이 실리콘 웨이퍼 또는 웹(web)과 같은 기판에 증착되는 박막 증착이다. 박막 증착을 위한 예시적인 기술은 물질이 증발되어 물질 증기를 생성한 다음 기판에 증착되는 물리적 기상 증착(Physical Vapour Deposition, PVD)이다. PVD의 예는 물질 증기로 물질을 증발시키기 위해 물질이 진공에서 가열되는 증발 증착이다. 물질 증기의 증발은 일정한 물질 증기를 생성하지 않을 수 있으며, 물질 증기에 더 높거나 더 낮은 밀도의 편재된 영역이 있을 수 있다. 따라서 기판 상의 증착을 위해 효율적인 방식으로 일정한 물질 증기를 생성하는 것이 바람직할 수 있다.
PVD의 또 다른 예는 이온과 같은 에너지 입자에 의한 충격의 결과로 물질 입자가 물질 표면에서 방출되거나 스퍼터링(sputtered)되는 스퍼터 증착(sputter deposition)이다. 스퍼터 증착의 예에서, 비활성 가스와 같은 스퍼터 가스, 예를 들어 아르곤은 저압의 진공 챔버에 도입되고 스퍼터 가스는 에너지 전자를 사용하여 이온화되어 플라즈마를 생성한다. 플라즈마 이온에 의한 물질의 충격은 물질 증기를 방출하고, 이는 기판에 증착될 수 있다. 기판 상의 물질 증기의 증착 속도는 증발 증착과 같은 다른 증착 공정보다 낮을 수 있다. 또한, 스퍼터 증착은 이온에 의해 충격을 받는 물질 표면의 유한한 크기로 인해 균일한 두께로 기판 상에 넓은 면적의 증착 물질을 증착하는 데 적합하지 않을 수 있다. 따라서, 효율적인 방식으로 넓은 기판 영역에 증착을 위해 일정한 물질 증기를 생성하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 물질 증기를 생성하도록 구성된 유도 도가니 장치를 포함하는 증착 시스템이 제공된다. 사용 시, 유도 도가니 장치는 도가니를 유도 가열하여 도가니 내에 2개 이상의 열 구역을 생성하도록 구성된다. 증착 시스템은 기판을 지지하도록 구성된 기판을 지지하도록 구성된 기판 지지부 및 적어도 부분적으로 플라즈마를 통한 물질 증기의 전달이 기판 상에 증착을 위한 증착 물질을 생성하도록 유도 도가니 장치와 기판 지지부 사이에 플라즈마를 생성하도록 구성된 플라즈마 소스를 더 포함한다. 유도 도가니 장치를 플라즈마 소스와 결합함으로써, 물질 증기의 높은 생산 속도가 물질 증기가 균일하거나 균질한 밀도를 갖도록 수정하는 능력과 결합될 수 있다. 그 결과, 기판 상에 증착을 위해 균일한 밀도를 갖는 높은 비율의 증착 물질이 생성될 수 있다. 물질 증기의 높은 생산 속도는 전자 빔 증착 또는 도가니의 저항 가열(resistive heating)에 비해 증착 시스템에 대해 상대적으로 낮은 에너지를 사용하여 달성될 수 있다. 이와 같이, 물질 증기를 생성하기 위해 도가니에서 물질을 증발시키는 데 더 적은 에너지가 필요하다. 또한, 전자 빔 증착 또는 플라즈마 증착에 비해, 유도 도가니 장치의 사용은 물질 증기를 생성하기 위해 도가니 내 물질의 증발(또는 기화) 속도를 제어하는 능력으로 인해 증착 물질의 화학량론(stoichiometry)의 높은 수준의 제어를 허용할 수 있다.
유도 도가니 장치는 하나 이상의 유도 코일에 전력을 인가하면 도가니의 적어도 제1 부분에 제1 열 구역이 생성되고 도가니의 적어도 제2 부분에 제2 열 구역이 생성되도록 도가니 주위에 배열된, 하나 이상의 유도 코일을 포함할 수 있다. 제1 열 구역의 제1 온도는 제2 열 구역의 제2 온도와 상이할 수 있다. 상이한 온도를 갖는 도가니에 제1 열 구역 및 제2 열 구역을 생성하는 것은 도가니 내의 열 구역을 독립적으로 제어하는 능력을 제공할 수 있다. 열 구역을 독립적으로 제어하면 하나의 구역, 예를 들어 제2 열 구역이 더 높은 온도에서 구성될 수 있다. 유도 도가니 장치는 일부 예에서 추가 가열 시스템, 예를 들어 전자총 시스템 없이도 도가니의 물질을 2000°C 이상으로 유지하기 위한 간단하고 효율적인 장치를 제공할 수 있다. 이러한 구성은 도가니에서 물질의 고압 증기 플럭스를 생성하는 효율적인 방법을 제공할 수 있다.
하나 이상의 유도 코일은 도가니의 제1 부분 주위에 배열된 제1 유도 코일 및 도가니의 제2 부분 주위에 배열된 제2 유도 코일을 포함할 수 있다. 제1 유도 코일에는 제1 전력이 인가되고, 제2 유도 코일에는 제1 전력과 상이한 제2 전력이 인가될 수 있다. 제1 및 제2 유도 코일에 상이한 전력을 인가함으로써 도가니의 제1 및 제2 열 구역이 상이한 열 온도를 가질 수 있다. 유도 코일에 인가되는 전력을 독립적으로 제어하고 따라서 열 구역의 온도를 독립적으로 제어함으로써 도가니 내 물질 가열을 더 잘 제어할 수 있다.
도가니의 제1 부분은 도가니의 베이스와 도가니의 제2 부분 사이에 위치할 수 있다. 하나 이상의 유도 코일에 전력을 인가하면, 제1 열 구역의 제1 온도는 유도 도가니 장치에 의해 가열될 물질의 용융을 위한 제1 온도 임계값을 충족하거나 초과할 수 있다. 추가적으로, 또는 대안적으로, 하나 이상의 유도 코일에 전력을 인가할 때, 제2 열 구역의 제2 온도는 유도 도가니 장치에 의해 가열될 물질을 증발시켜 물질 증기를 생성하기 위한 제2 온도 임계값을 충족하거나 초과할 수 있다. 제1 열 구역의 낮은 온도를 제2 열 구역의 더 높은 온도보다 낮게 구성하면 도가니 내에 포함된 물질의 튐 및 얼룩을 최소화할 수 있다. 이는 제1 열 구역의 물질이 제2 열 구역의 물질보다 낮은 속도로 가열되기 때문이다.
플라즈마 소스는 플라즈마가 실질적으로 도가니에 존재하지 않도록 유도 도가니 장치와 기판 지지부 사이에 플라즈마를 생성하도록 구성될 수 있다. 유도 도가니 장치에 실질적으로 부재하도록 플라즈마를 생성하는 것은 플라즈마에 의한 도가니의 손상을 감소시킬 수 있다.
증착 시스템은 유도 도가니 장치와 기판 지지부 사이에 적어도 하나의 가스를 제공하도록 구성된 가스 공급 시스템을 포함할 수 있다. 물질 증기와 가스 간 반응은 반응성 증착 공정(reactive deposition process)을 수행하는 능력을 제공할 수 있다. 가스는 물질 증기와 화학적으로 반응하여 하나 이상의 증착 물질을 생성할 수 있는 하나 이상의 화학 원소 및/또는 분자를 포함할 수 있다. 또한, 물질 증기는 기체와의 반응이 증착 물질을 생성할 수 있도록 전구체(precursor) 물질이거나 이를 포함할 수 있다. 반응성 증착 공정을 수행하는 능력은 기판 상에 증착을 위한 다양한 증착 물질을 생성할 가능성을 제공한다.
가스 공급 시스템은 플라즈마를 통해 제1 가스를 제공하기 위한 제1 가스 유입구, 플라즈마와 유도 도가니 장치 사이에 제2 가스를 제공하기 위한 제2 가스 유입구, 또는 플라즈마와 기판 지지부 사이에 제3 가스를 제공하기 위한 제3 가스 유입구 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제1 가스, 제2 가스 및/또는 제3 가스를 통한 물질 증기의 전달은 물질 증기가 가스와 상호작용하게 할 수 있다. 그러한 상호작용은 적어도 부분적으로 증착 물질을 생성할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 가스와의 상호작용은 반응성 증착 공정의 일부를 형성할 수 있다.
가스 공급 시스템은 적어도 하나의 가스가 유도 도가니 장치와 기판 지지부 사이에 제공되는 속도를 제어하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 가스가 제공되는 속도를 제어하는 것은 생성된 증착 물질의 특성을 제어하는 능력을 제공할 수 있다. 그 결과, 기판 상의 증착된 물질은 가스가 증착 시스템에 제공되는 속도에 의해 결정되는 특성 또는 특징을 가질 수 있다.
증착 시스템은 물질 증기를 적어도 부분적으로 플라즈마를 통해 및/또는 적어도 부분적으로 가스를 통해 전달하도록 구성될 수 있다. 물질 증기의 물질은 증착 물질을 생성하기 위해 적어도 하나의 가스 및/또는 플라즈마와 상호작용할 수 있다. 물질 증기는 증착 물질을 생성하도록 물질 증기의 특성을 수정하기 위해 플라즈마와 상호작용할 수 있다. 물질 증기의 속성은 물리적 또는 물질적 속성(예: 물질 증기의 열 에너지 또는 밀도) 및/또는 화학적 속성(예: 화학적 조성)으로 간주될 수 있다.
증착 시스템은 에너지 저장 장치의 제조에 사용하도록 배열된다. 에너지 저장 장치의 제조는 박막 대신에 비교적 두꺼운 층 또는 필름의 증착을 포함할 수 있다. 후막을 증착하기 위해서는, 본 발명의 증착 시스템과 같이 높은 수준의 재현성 및 제어를 갖는 증착 시스템이 바람직하다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 기판 상에 증착 물질을 증착하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 유도 도가니 장치를 유도 가열하여 2개 이상의 열 구역을 생성해 유도 도가니 장치에 포함된 물질을 가열하여 물질 증기를 생성하는 단계를 포함한다. 방법은 유도 도가니 장치와 기판 사이에 플라즈마를 생성하는 단계를 더 포함한다. 방법은 플라즈마를 통해 물질 증기를 적어도 부분적으로 전달하여 증착 물질을 생성하는 단계 및 기판 상에 증착 물질을 증착하는 단계를 더 포함한다. 유도 도가니 장치를 플라즈마와 결합함으로써, 물질 증기의 높은 생산 속도는 균일하거나 균질한 밀도를 갖도록 물질 증기를 수정하는 능력과 결합될 수 있다. 그 결과, 기판 상에 증착을 위해 균일한 밀도를 갖는 높은 비율의 증착 물질이 생성될 수 있다.
유도 도가니 장치를 유도 가열하는 단계는 유도 도가니 장치의 도가니 주위에 배열된 하나 이상의 유도 코일에 전력을 인가하여 도가니의 제1 부분에 제1 열 구역을 생성하고 도가니의 제2 부분에 제2 열 구역을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 열 구역의 제1 온도는 제2 열 구역의 제2 온도와 상이할 수 있다. 제1 및 제2 유도 코일에 상이한 전력을 인가함으로써 도가니의 제1 및 제2 열 구역이 상이한 온도를 가질 수 있다. 유도 코일에 인가되는 전력을 독립적으로 제어하고 따라서 열 구역의 온도를 독립적으로 제어함으로써 도가니 내 물질 가열을 더 잘 제어할 수 있다. 도가니 내에서 물질을 가열하면 물질이 증발되어 물질 증기가 생성될 수 있다.
도가니의 제1 부분은 도가니의 베이스와 도가니의 제2 부분 사이에 위치할 수 있다. 유도 도가니 장치를 유도 가열하는 단계는 도가니의 제1 부분에 있는 물질의 제1 부분을 용융시키고/거나 도가니의 제2 부분에서 물질의 제2 부분을 증발시켜 물질 증기를 생성하도록 제1 온도 및 제2 온도를 구성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 물질의 제1 부분을 용융시키고 물질의 제2 부분을 증발시키면 물질의 튐 및 얼룩을 최소화할 수 있다. 이는 물질의 제1 부분이 물질의 제2 부분보다 낮은 속도로 가열되기 때문이다.
플라즈마는 유도 도가니 장치에 실질적으로 존재하지 않을 수 있다. 유도 도가니 장치에 실질적으로 존재하지 않는 플라즈마를 구성하는 것은 플라즈마에 의한 도가니의 손상을 감소시킬 수 있다.
유도 도가니 장치와 기판 사이에 적어도 하나의 가스가 제공될 수 있다. 물질 증기와 가스 사이의 반응은 반응성 증착 공정을 수행하는 능력을 제공할 수 있다. 가스는 물질 증기와 화학적으로 반응하여 하나 이상의 증착 물질을 생성할 수 있는 하나 이상의 화학 원소 및/또는 분자를 포함할 수 있다. 또한, 물질 증기는 기체와의 반응이 증착 물질을 생성할 수 있도록 전구체 물질이거나 이를 포함할 수 있다. 반응성 증착 공정을 수행하는 능력은 기판 상에 증착을 위한 다양한 증착 물질을 생성할 가능성을 제공한다.
증착 물질을 생성하는 것은 적어도 하나의 가스 및/또는 플라즈마와 상호작용하는 물질 증기의 물질을 포함할 수 있다. 물질 증기의 물질은 증착 물질을 생성하기 위해 적어도 하나의 가스 및/또는 플라즈마와 상호작용할 수 있다. 물질 증기의 물질은 물질 증기의 특성을 수정하여 증착 물질을 생성하기 위해 가스 및/또는 플라즈마와 상호작용할 수 있다. 물질 증기의 특성은 물리적 또는 물질적 특성(예: 물질 증기의 열 에너지 또는 밀도) 및/또는 화학적 특성(예: 화학적 조성)으로 간주될 수 있다. 플라즈마를 통한 전송으로 인해, 증착 물질은 이온, 전자 및 중성 원자/분자의 에너지 구름(energetic cloud)을 포함할 수 있으며, 이는 증착 물질을 생성하기 위해 가스와 추가 상호작용을 겪을 수 있다. 이와 같이, 증착 물질은 기판 상에 증착될 때 증착 물질에 더 많은 에너지를 제공하기 위해 증착 공정[예를 들어, 어닐링(annealing) 단계]에서 추가 단계가 필요하지 않은 고에너지 증착 물질을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 가스의 일 가스는 제1 시간에 제1 속도로 제공되어 제1 시간에 제1 증착 물질로서 증착 물질을 생성할 수 있다. 제1 증착 물질은 물질 증기의 적어도 부분적으로는 플라즈마 및 적어도 부분적으로는 가스를 통한 전달에 의해 생성될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 가스의 일 가스는 제1 속도와 상이한 제2 속도, 제1 시간과 상이한 제2 시간에 제공될 수 있다. 제1 증착 물질과 상이한 제 2 증착 물질은 물질 증기의 적어도 부분적으로는 플라즈마 및 적어도 부분적으로는 가스를 통한 전달에 의해 제2 시간에 생성될 수 있다. 제1 증착 물질은 제2 증착 물질과 상이한 화학적 조성을 가질 수 있다. 적어도 하나의 가스가 제공되는 속도를 제어하는 것은 생성된 증착 물질의 화학적 조성과 같은 특성을 제어하는 능력을 제공할 수 있다. 그 결과, 기판 상의 증착된 물질은 가스가 증착 시스템에 제공되는 속도에 의해 결정되는 특성 또는 특징을 가질 수 있다.
적어도 하나의 가스는 질소, 아르곤, 산소, 암모니아, 산화질소 및/또는 헬륨을 포함할 수 있다. 이러한 가스는 증착 물질을 생성하기 위해 전구체 물질로서 작용하는 물질 증기로 반응성 증착 공정을 수행하는 능력을 제공할 수 있다.
기판 상에 증착되는 증착 물질의 결정성을 제어하기 위해, 적어도 하나의 가스의 가스 제공 속도가 제어될 수 있다. 가스 제공 속도(예: 가스 농도)를 제어하는 것은 반응으로부터 생성되는 증착 물질의 결정 구조[예: 결정도(crystallinity)]를 제어하기 위해 가스와 물질 증기 사이의 반응 속도를 제어하는 데 사용될 수 있다.
증착 물질의 물질 특성을 제어하기 위해 물질 증기의 생성 속도 및/또는 플라즈마의 밀도를 제어할 수 있다. 물질 증기의 생성 속도를 제어하는 것은 기판 상에 증착된 증착 물질의 두께 및/또는 밀도를 제어하는 능력을 제공할 수 있다. 플라즈마의 밀도를 제어하는 것은 기판 상에 증착된 증착 물질의 균일성 또는 균질성을 제어하는 능력을 제공할 수 있다.
기판 상에 증착 물질을 증착하는 단계는 증착 물질을 기판 상에 실질적으로 균질하게 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 실질적으로 균질한 증착 물질을 증착하는 것은 기판 상에 균질하거나 균일한 증착 물질을 생성한다.
기판 상에 증착되는 증착 물질은 에너지 저장 장치의 전극층 또는 전해질층을 위한 물질을 포함할 수 있다. 에너지 저장 장치의 제조는 박막 대신에 비교적 두꺼운 층 또는 필름의 증착을 포함할 수 있다. 후막을 증착하기 위해서는 본 발명의 증착 공정과 같이 재현성과 제어성이 높은 증착 공정이 바람직하다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 본 발명의 제2 양태에 따른 방법에 따라 제조된 에너지 저장 장치가 제공된다.
추가적인 특징은 첨부 도면을 참조하여 이루어진 다음의 설명으로부터 명백해질 것이며, 이는 단지 예로서 주어진다.
도 1은 실시예에 따른 증착 시스템의 개략도이다.
도 2는 실시예에 따른 유도 도가니 장치의 개략도이다.
도 3은 추가적인 예에 따른 유도 도가니 장치의 개략도이다.
도 4는 추가적인 예에 따른 유도 도가니 장치의 개략도이다.
도 5a는 실시예에 따른 기판 지지부의 개략도이다.
도 5b는 추가적인 예에 따른 기판 지지부의 개략도이다.
도 6은 실시예에 따른 플라즈마 소스의 개략도이다.
도 7은 추가적인 예에 따른 플라즈마 소스의 개략도이다.
도 8은 추가적인 예에 따른 증착 시스템의 개략도이다.
도 9는 기판 상에 증착 물질을 증착하기 위한 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 2는 실시예에 따른 유도 도가니 장치의 개략도이다.
도 3은 추가적인 예에 따른 유도 도가니 장치의 개략도이다.
도 4는 추가적인 예에 따른 유도 도가니 장치의 개략도이다.
도 5a는 실시예에 따른 기판 지지부의 개략도이다.
도 5b는 추가적인 예에 따른 기판 지지부의 개략도이다.
도 6은 실시예에 따른 플라즈마 소스의 개략도이다.
도 7은 추가적인 예에 따른 플라즈마 소스의 개략도이다.
도 8은 추가적인 예에 따른 증착 시스템의 개략도이다.
도 9는 기판 상에 증착 물질을 증착하기 위한 방법을 예시하는 흐름도이다.
실시예에 따른 방법 및 시스템의 세부사항은 도면을 참조하여 하기 설명으로부터 명백해질 것이다. 이 설명에서, 설명의 목적으로 특정 예의 수많은 특정 세부사항이 제시된다. 명세서에서 "예(example)" 또는 이와 유사한 표현에 대한 참조는 예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 예에 포함되지만 다른 예에는 반드시 포함되는 것은 아님을 의미한다. 또한, 특정 예는 설명의 용이성과 예의 기초가 되는 개념의 이해를 위해 생략 및/또는 단순화된 특정 특징을 사용하여 개략적으로 설명된다는 점에 유의해야 한다.
도 1은 증착 시스템(100)의 개략도이다. 이 예에서 증착 시스템(100)은 유도 도가니 장치(200), 기판 지지부(500) 및 플라즈마 소스(600)를 포함한다.
유도 도가니 장치(200)는 물질 증기(210)를 생성하도록 구성된다. 유도 도가니 장치(200)는 도가니(201)를 유도 가열하여 도가니(201)에 2개 이상의 열 구역(204, 205)을 생성할 수 있다. 유도 도가니 장치(200)는 도 2 내지 4를 참조하여 아래에 설명된다.
기판 지지부(500)는 기판(501)을 지지하도록 구성된다. 기판 지지부(500)는 도 5a 및 5b를 참조하여 아래에서 설명된다.
플라즈마 소스(600)는 유도 도가니 장치(200)와 기판 지지부(500) 사이에 플라즈마(620)를 생성하도록 구성된다. 플라즈마(620)를 통한 물질 증기(210)의 전달은 기판(501) 상의 증착을 위한 증착 물질(510)을 생성한다. 플라즈마 소스(600)는 도 6 및 도 7을 참조하여 아래에서 설명된다.
명료함을 위해 도면에 도시되지는 않았지만, 증착 시스템(100)은 증착 챔버 내에 위치될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 사용 시, 증착 챔버는 증착 공정에 적합한 낮은 압력, 예를 들어 3x10-3 토르(torr)로 배기될 수 있다. 예를 들어, 증착 챔버는 진공 펌프 시스템에 의해 적절한 압력(예를 들어, 1x10-5 토르 미만)으로 배기될 수 있다. 사용 시, 아르곤 또는 질소와 같은 가스는 증착 공정에 적합한 압력이 달성되는 정도로 가스 공급 시스템을 사용하여 증착 챔버에 도입될 수 있다.
유도 장치 소스(200)에 의해 생성된 물질 증기(210)는 기판(501)을 향하는 방향(220)으로 이동할 수 있다. 물질 증기가 존재할 수 있는 영역은 증착 구역(230)으로 지칭될 수 있다. 증착 구역(230)은 물질 증기(210)가 이동할 수 있는 유도 도가니 장치(200) 및 기판 지지부(500) 사이의 구역을 포함한다. 증착 구역(230)의 에지는 유도 도가니 장치(200)로부터 시작하여 기판 지지부(500)에서 마무리되는 점선으로 도시되어 있다.
도 2는 유도 도가니 장치(200)의 개략도이다. 도 1의 대응하는 특징부와 유사한 도 2의 특징부는 동일한 참조 번호로 라벨링된다. 달리 명시되지 않는 한, 해당 설명이 적용되어야 한다.
이 예에서 유도 도가니 장치(200)는 도가니(201) 및 도가니(201) 주위에 배열된 하나 이상의 유도 코일(203)을 포함한다. 도가니는 예를 들어 열적으로 가열되는 물질을 포함하는 용기 또는 컨테이너이다. 도가니 내의 물질은 물질이 용융, 예를 들어 액체 상태로 변하도록 하는 온도로 가열될 수 있다. 도가니는 흑연, 도자기, 세라믹, 알루미나 또는 금속과 같은 내열성 물질로 제조될 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 도가니의 내열성 물질은 도가니 내에서 물질을 용융시키는 데 필요한 온도를 견디기 위해 선택될 수 있다. 도가니의 물질 및 치수(예: 크기 및/또는 모양)는 도가니 사용 요구 사항에 따라 선택할 수 있다.
도가니(201)는 하나 이상의 유도 코일(203)을 사용하여 도가니(201) 내의 물질(202)을 가열하는 데 사용될 수 있다. 물질(202)을 가열하면 물질(202)의 열 에너지의 증가로 인해 물질의 온도가 상승한다. 물질(202)의 가열은 하나 이상의 유도 코일(203)에 전력을 인가함으로써 발생할 수 있다.
유도 코일(203)은 복수의 와이어를 가질 수 있는 연속적인 와이어 코일을 포함할 수 있다. 와이어는 전기 전도성 물질, 예를 들어 구리로 제조되거나 이를 포함할 수 있다. 따라서 이러한 와이어는 유도 코일을 통해 전류를 전도할 수 있다. 복수의 와이어 턴(turn)은 중심축 주위에 배열된 와이어의 원형 또는 연속적인 루프로서 구성될 수 있다. 일부 예에서, 복수의 와이어 턴은 반경이 지속적으로 증가하는 원으로서 중심축을 기준으로 배열된다. 다른 예에서, 복수의 와이어 턴은 동일한 반경을 갖는 원으로 중심축을 기준으로 배열되지만 원의 중심이 직선 상에 놓이도록 한다. 단일 길이의 와이어는 위에서 설명한 대로 하나의 유도 코일로 간주될 수 있다. 단일 유도 코일에 전력이 인가될 수 있다. 예를 들어, 서로 전기적으로 분리된 2개 이상의 단일 길이 와이어는 2개 이상의 단일 유도 코일로 간주될 수 있다. 전력은 예를 들어 제1 유도 코일에 인가된 제1 전력 및 제2 유도 코일에 인가된 제2 전력으로, 각 유도 코일에 독립적으로 인가될 수 있다. 도가니(201) 주위에 하나 이상의 유도 코일(203)이 존재하면 도가니(201) 내의 물질(202)이 유도 가열을 통해 가열될 수 있다. 유도 코일에 교류(AC)가 흐름으로써 유도 코일에 의해 둘러싸인 물질 내에 와전류가 유도될 수 있다. 와전류는 예를 들어 교류 자기장의 존재로 인해 전기 전도체 내에서 유도되는 전류의 하나 이상의 폐쇄 루프를 포함한다. 자기장을 생성하기 위해 유도 코일을 통해 전류가 흐를 수 있다. 유도 코일을 통과하는 교류 전류는 자기장을 교번하여 와전류를 생성한다.
와전류는 물질을 가열하는 열 에너지를 생성한다. 전기 전도성이 있는 물질의 경우 이 공정은 물질을 가열한다. 이러한 전기 전도성 물질은 또한 유도 서셉터(susceptor)로 알려져 있을 수 있다. 전기 전도성이 낮은 물질의 경우, 코일 내부의 도가니는 흑연과 같은 유도 서셉터로 제조되거나 이를 포함할 수 있으며, 이는 전도성이 낮은 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 도가니는 유도 가열될 수 있고 도가니 내에 포함된 물질은 전도성 가열될 수 있다.
유도 도가니 장치(200)는 초기에 고체 또는 액체 상태에 있는 도가니(201)의 물질(202)을 포함할 수 있다. 유도 가열을 통해 도가니(201) 내의 물질(202)을 가열할 때, 물질은 액체 상태로 변할 수 있으며, 이는 용융 상태로 지칭될 수 있다. 추가 가열의 적용은 용융된 물질(202)이 예를 들어, 용융 물질(202)로부터 증발하여 물질 증기(210)라고도 하는 기체 상태로 변화하도록, 용융 물질(202)을 증발하게 할 수 있다. 물질 증기(210)라고도 하는 기체 상태로의 변화는 용융된 물질(202)로부터 증발한다. 물질 증기(210)는 증착된 물질의 층을 생성하기 위해 기판 상에 증착될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 물질 증기는 증착된 물질의 층을 생성하기 전에 기판 상에 증착되기 전에 반응성 증착 공정의 일부로서 화학 반응에서 사용될 수 있다.
증착은 물질이 기판에 제공되는 공정이다. 물질이 증착될 수 있는 기판은 예를 들어 유리 또는 중합체이고 강성 또는 가요성일 수 있으며 일반적으로 평면형이다. 기판에 층들의 스택을 증착함으로써 고체 상태 전지와 같은 에너지 저장 장치를 생산할 수 있다. 층들의 스택은 일반적으로 제1 전극 층, 제2 전극 층, 및 제1 전극 층과 제2 전극 층 사이의 전해질 층을 포함한다.
제1 전극층은 양극 집전체층(positive current collector layer)으로 작용할 수 있다. 이러한 예에서, 제1 전극층은 양극층(스택을 포함하는 에너지 저장 장치의 셀의 방전 동안 캐소드에 대응할 수 있음)을 형성할 수 있다. 제1 전극층은 리튬 코발트 산화물, 리튬 철인산염(lithium iron phosphate) 또는 알칼리 금속 다황화물 염과 같은 안정적인 화학 반응에 의해 리튬 이온을 저장하기에 적합한 물질을 포함할 수 있다.
대안적인 예에서, 제1 전극 층과 기판 사이에 위치할 수 있는 별도의 양극 집전체 층이 있을 수 있다. 이러한 예에서, 별도의 양극 집전체 층은 니켈 호일을 포함할 수 있지만, 알루미늄, 구리 또는 강철과 같은 임의의 적합한 금속, 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 상의 알루미늄과 같은 금속화된 플라스틱을 포함하는 금속화된 물질이 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
제2 전극층은 음극 집전체층으로 작용할 수 있다. 이러한 경우에 제2 전극층은 음극층(스택을 포함하는 에너지 저장 장치의 셀의 방전 동안 애노드에 대응할 수 있음)을 형성할 수 있다. 제2 전극층은 리튬 금속, 흑연, 실리콘 또는 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함할 수 있다. 제1 전극 층에 대해, 다른 예에서, 스택은 제2 전극 층 상에 있을 수 있는 별도의 음극 집전체 층을 포함할 수 있고, 제2 전극 층은 음극 집전체 층과 기판 사이에 있다. 음극 집전체층이 별도의 층인 예에서, 음극 집전체층은 니켈 호일을 포함할 수 있다. 그러나, 알루미늄, 구리 또는 강철과 같은 음극 집전체 층에 대해 임의의 적절한 금속, 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 상의 알루미늄과 같은 금속화된 플라스틱을 포함하는 금속화된 물질이 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
제1 및 제2 전극 층은 일반적으로 전기 전도성이다. 따라서 전류는 제1 및 제2 전극 층을 통한 이온 또는 전자의 흐름으로 인한 제1 및 제2 전극 층을 통해 흐를 수 있다.
전해질 층은 이온 전도성이지만 또한 전기 절연체인 리튬 인 산질화물(LiPON)과 같은 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 전해질층은 예를 들어 고체 층이며, 고속 이온 전도체로 지칭될 수 있다. 고체 전해질층은 예를 들어 규칙적인 구조가 없는 액체 전해질과 자유롭게 이동할 수 있는 이온을 포함하는 결정질 고체의 중간 구조를 가질 수 있다. 결정질 물질은 예를 들어 2차원 또는 3차원 격자로 배열될 수 있는 원자의 정렬된 배열을 갖는 규칙적인 구조를 갖는다. 결정질 물질의 이온은 일반적으로 움직이지 않으므로 물질 전체에서 자유롭게 이동할 수 없다.
스택은 예를 들어 기판 상에 제1 전극 층을 증착함으로써 제조될 수 있다. 이어서, 전해질층은 제1 전극 층 상에 증착되고, 이어서 제2 전극 층은 전해질층 상에 증착된다. 스택의 적어도 하나의 층이 여기에 설명된 시스템 또는 방법을 사용하여 증착될 수 있다.
도가니(201)에 제공된 물질(202)은 기판 상에 증착될 층에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 제1 물질은 초기에 도가니(201)에 배열되거나 제공될 수 있다. 제1 물질은 예를 들어 에너지 저장 장치를 위한 제1 전극 층을 형성하기 위해 기판 상에 증착되는 리튬 코발트 산화물과 같은 전기 전도성 물질일 수 있다. 기판 상에 제1 물질이 원하는 두께로 증착되면, 도가니(201) 내의 제1 물질은 제2 물질로 대체될 수 있다. 제2 물질은 이온 전도성이지만, 예를 들어 에너지 저장 장치용 전해질 층을 형성하기 위해 제1 전극 층 상에 증착되는 리튬 인 산질화물(LiPON)과 같은 전기 절연 물질일 수 있다. 제2 물질이 원하는 두께로 기판 상에 증착되면, 도가니(201) 내의 제2 물질은 제3 물질로 대체될 수 있다. 제3 물질은 또한 예를 들어 에너지 저장 장치를 위한 제2 전극 층을 형성하기 위해 전해질 층 상에 증착되는 리튬 금속과 같은 전기 전도성 물질일 수 있다. 기판 상에 제3 물질이 원하는 두께로 증착되면, 증착된 층의 스택에 대해 추가 처리가 수행되어 에너지 저장 장치를 생성할 수 있다.
일반적으로, 고체 상태 전지(solid-state cells)와 같은 에너지 저장 장치의 제조는 박막(예를 들어, 나노미터 단위) 대신에 비교적 두꺼운 층 또는 후막(예를 들어, 마이크로미터 정도, 때로는 마이크론)의 증착을 포함할 수 있다. 이 두께로 막을 증착하기 위해서는 재현성과 제어성이 높은 증착원이 바람직하다.
도 2의 유도 도가니 장치(200)를 다시 참조하면, 이 예에서, 도가니(201)는 제1 부분(201a) 및 제2 부분(201b)을 포함한다. 하나 이상의 유도 코일(203)에 전력을 인가하면, 제1 열 구역(204)이 도가니(201)의 적어도 제1 부분(201a)에 생성되고 제2 열 구역(205)이 도가니의 적어도 제2 부분(201b)에 생성된다. 제1 열 구역(204)은 제1 온도를 가질 수 있고 제2 열 구역(205)은 제2 온도를 가질 수 있으며, 제1 온도는 제2 온도와 상이하다. 예를 들어, 하나 이상의 유도 코일(203)에 전력을 인가할 때, 제1 열 구역(204)은 제2 열 구역(205)의 온도와 상이한 온도를 가질 수 있다.
제1 열 구역(204)이 도 2에서 제2 열 구역(205)과 별개의 것으로 도시되어 있지만, 하나 이상의 유도 코일(203)에 전력을 인가하면 도가니(201) 내 제1 및 제2 열 구역(204, 205)은 분리되어 구별되지 않을 수 있다. 제1 및 제2 열 구역(204, 205)은 도 1의 점선으로 도시된 영역으로 제한되지 않을 수 있다.
대신, 제1 및 제2 열 구역(204, 205)은 평균적으로 주어진 온도를 갖는 도가니(201)의 부분으로 생각될 수 있다. 예를 들어, 평균적으로 제1 열 구역(204) 내에서, 제1 열 구역(204)은 제1 온도를 가질 수 있다. 유사하게, 평균적으로 제2 열 구역(205) 내에서, 제2 열 구역(205)은 제2 온도를 가질 수 있다. 제1 온도 및 제2 온도는 동일할 수도 있고 동일하지 않을 수도 있다. 제1 온도 및 제2 온도가 동일할 때에도, 제1 및 제2 열 구역(204, 205)은 예를 들어 상이한 열 기울기, 온도 분포 또는 온도 프로파일로 인해 상이한 열 특성을 가질 수 있다.
일부 예에서, 열 구역은 도가니의 일부에 존재할 수 있다. 열 구역은 도가니 물질이 존재하는 곳으로 열 구역이 제한되도록 도가니 부분의 물질 내에 존재하는 것으로 간주될 수 있다. 즉, 열 구역은 도가니 물질 외부로 확장되지 않을 수 있다. 예를 들어, 제1 열 구역(204)은 도가니(201)의 부분(201a)의 물질로 제한되는 것으로 간주될 수 있다. 다른 예에서, 열 구역은 도가니의 부분에 존재할 수 있고 또한 도가니 물질 외부로 연장될 수 있다. 열 구역은 도가니 부분의 물질 내에 그리고 도가니의 캐비티 내에 존재하는 것으로 간주될 수 있다. 즉, 열 구역은 가열될 물질(202)을 포함하는 도가니의 캐비티를 둘러싸도록 도가니 물질 외부로 연장될 수 있다.
도가니(201)의 제1 부분(201a)에 대응하는 제1 열 구역(204)은 도가니(201)의 베이스(201c)와 도가니(201)의 제2 부분(201b) 사이에 위치할 수 있다. 도가니(201)의 베이스(201c)는 도가니(201)의 바닥으로 지칭될 수 있다. 제1 열 구역(204)은 도가니(201)의 바닥 부분에 위치하는 것으로 간주될 수 있다. 도가니(201)의 제2 부분(201b)에 대응하는 제2 열 구역(205)은 도가니(201)의 제1 부분(201a) 및 도가니(201)의 상부(201d) 사이에 위치할 수 있다. 제2 열 구역(205)은 도가니(201)의 상부에 위치하는 것으로 간주될 수 있다.
일부 예에서, 도가니(201)의 제1 부분(201a) 및 도가니(201)의 제2 부분(201b)은 제1 부분(201a) 및 제2 부분(201b) 모두에 공통인 도가니(201)의 부분을 포함할 수 있다. 이와 같이, 제1 열 구역(204) 및 제2 열 구역(205)은 제1 열 구역(204) 및 제2 열 구역(205) 모두에 공통인 도가니(201)의 일부를 포함할 수 있다. 즉, 제1 열 구역(204)과 제2 열 구역(205)은 도가니(201) 내에서 부분적으로 겹칠 수 있다.
일부 예에서, 도가니(201)의 제1 및 제2 부분(201a, 201b)은 제1 및 제2 열 구역(204, 205)의 생성을 가능하게 하는 상이한 물리적 특성을 가질 수 있다. 도가니(201)의 제1 부분(201a)과 도가니(201)의 제2 부분(201b) 사이의 계면은 인터페이스 라인(201e)에 의해 도 1에 도시되어 있다. 도가니(201)의 제1 부분(201a)은 도가니(201)의 인터페이스 라인(201e)을 지나갈 때 도가니(201)의 물리적 특성이 변하도록 도가니의 제2 부분(201b)과 다른 물리적 특성을 가질 수 있다.
일 예에서, 도가니(201)의 제1 부분(201a)은 도가니(201)의 제2 부분(201b)과 상이한 전기 저항을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 부분(201b)은 제1 부분(201a)보다 더 높은 전기 저항을 가질 수 있다. 주어진 전력이 도가니(201)의 제1 및 제2 부분(201a, 201b) 둘 다를 둘러싸거나 그 주위에 배열된 단일 유도 코일에 인가될 때, 제2 부분(201b)의 더 높은 전기 저항으로 인해 도가니(201)의 제2 부분(201b)은 도가니(201)의 제1 부분(201a)보다 더 많이 가열될 수 있다. 이는 제1 열 구역(204)보다 더 높은 온도를 갖는 제2 열 구역(205)을 생성할 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 단일 유도 코일은 하나의 유도 코일로 간주될 수 있다. 유도 코일은 복수의 와이어 턴을 가질 수 있는 연속적인 와이어 코일을 포함할 수 있다.
다른 예에서, 유도 도가니 장치(201)는 도가니(201) 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 물리적 특성을 갖는 도가니(201)를 포함할 수 있다. 제1 열 구역(204) 및 제2 열 구역(205)을 생성하기 위해, 둘 이상의 유도 코일(203)이 사용될 수 있다. 제1 유도 코일은 제1 열 구역(204)을 생성하기 위해 사용될 수 있고 제2 유도 코일은 제2 열 구역(205)을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 제1 유도 코일에 제1 전력을 인가하고 제2 유도 코일에 제2 전력을 인가하면, 제1 전력이 제2 전력과 다른 경우, 제1 열 구역은 제2 열 구역과 상이한 열 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 유도 코일보다 제2 유도 코일에 더 높은 전력을 인가함으로써, 제1 열 구역에 비해 제2 열 구역에서 더 높은 온도가 생성될 수 있다.
도 3은 도가니 장치(300)에서 제1 열 구역(204) 및 제2 열 구역(205)을 생성하는 개략도이다. 도 1 및 2의 대응하는 특징과 유사한 도 3의 특징은 동일한 참조 번호로 표시된다. 달리 명시되지 않는 한, 해당 설명이 적용된다.
도가니 장치(300)는 제1 유도 코일(203a) 및 제2 유도 코일(203b)을 포함한다. 제1 전원(301a)은 제1 전력, 예를 들어 교류 전력을 생성하도록 구성될 수 있다. 제1 전력은 하나 이상의 전기 접속부(302a, 303a)를 통해 제1 유도 코일(203a)에 인가될 수 있다. 도가니(201)의 부분 주위에 배열된 제1 유도 코일(203a)은 도가니(201)에 제1 열 구역(204)을 생성한다. 제2 전원(301b)은 제2 전력, 예를 들어 AC 전력을 생성하도록 구성될 수 있다. 제2 전력은 하나 이상의 전기 접속부(302b, 303b)를 통해 제2 유도 코일(201b)에 인가될 수 있다. 도가니(201)의 부분 주위에 배열된 제2 유도 코일(203b)은 도가니(201)에 제2 열 구역(205)을 생성한다.
전원은 전원 공급 장치라고도 할 수 있다. 전원은 예를 들어 전기 부하(이 경우 하나 이상의 유도 코일)에 전력을 공급할 수 있는 전기 장치 또는 시스템이다. 전원은 일반적으로 유도 코일에 전력을 공급하기 위해 전원으로부터 주어진 전압, 전류 및 주파수로 전류를 변환한다.
제1 전원(301a) 또는 제2 전원(301b)과 같은 전원은 제어 시스템(304)에 의해 제어될 수 있다. 제어 시스템(304)은 예를 들어 하나 이상의 유도 코일(203a, 203b)에 인가되는 전력을 제어하도록 배열된다. 그러한 제어는 측정 데이터(아래에서 더 논의됨)와 같은 제어 시스템(304)에 의해 수신된 입력 데이터에 기초할 수 있다. 제어 시스템은 컨트롤러로 지칭될 수 있고 마이크로컨트롤러일 수 있는 프로세서를 포함할 수 있다. 프로세서는 데이터 및 컴퓨터 판독 가능한 명령어를 처리하기 위한 중앙 처리 장치(CPU)일 수 있다. 제어 시스템은 또한 데이터 및 컴퓨터 판독 가능 명령을 저장하기 위한 저장소를 포함할 수 있다. 저장소는 RAM(Random Access Memory)과 같은 휘발성 메모리 및 ROM(Read Only Memory)과 같은 비휘발성 메모리, 및/또는 다른 유형의 저장소 또는 메모리 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 저장소는 프로세서에 의해 비교적 빠르게 액세스될 수 있는 온칩(on-chip) 메모리 또는 버퍼(buffer)일 수 있다. 저장소는 예를 들어 저장소와 프로세서 간에 데이터를 전송할 수 있도록 최소한 하나의 버스를 통해 프로세서에 통신 가능하게 결합될 수 있다. 이러한 방식으로, 본 명세서에 설명된 예에 따라 유도 도가니 장치(300) 및 이의 다양한 구성요소를 제어하기 위하여 프로세서에 의해 처리되기 위한 컴퓨터 판독 가능 명령어들은 프로세서에 의해 실행되고 저장소에 저장될 수 있다. 대안적으로, 컴퓨터 판독 가능 명령어의 일부 또는 전부는 소프트웨어에 추가로 또는 소프트웨어 대신에 하드웨어 또는 펌웨어에 내장될 수 있다. 일부 경우에, 제1 및 제2 유도 코일(203a, 203b)은 공통 전원으로 지칭될 수 있는 주 전원과 같은 동일한 전원으로부터 전력을 수신하도록 배열된다. 이러한 경우, 제1 및 제2 전원(301a, 301b)은 생략될 수 있고, 제어 시스템(304)은 대신 공통 전원으로부터 전력을 공급받아 제1 및 제2 유도 코일(203a, 203b)에 의해 공급되는, 서로 상이한 제1 및 제2 전력을 제어할 수 있다. 또 다른 경우에, 제1 전력과 제2 전력이 상이하도록 제1 전원(301a)에 의해 공급되는 제1 전력을 제어하도록 배치된 제1 제어 시스템 및 제2 전원(301b)에 의해 공급되는 제2 전력을 제어하도록 배치된 제2 제어 시스템이 있을 수 있다. 그러한 경우에, 제1 및/또는 제2 제어 시스템은 제어 시스템(304)과 유사할 수 있다.
전력은, 예를 들어, 적어도 하나의 전원을 사용해, 예를 들어 AC 전력을 인가함으로써 하나 이상의 유도 코일(203a, 203b)에 인가될 수 있다. 전력의 제어는 예를 들어 제어 시스템(304)을 사용하여 AC 전력의 전류, 전압 및/또는 주파수의 제어를 통해 제공될 수 있다. 일부 예에서, 유도 도가니 장치(300)는 기결정된 전압 및 전류에서 작동할 수 있다. 기결정된 전압 및 전류는 유도 도가니 장치(300)가 저진공 또는 중간 진공으로 둘러싸여 있을 때 유도 도가니 장치(300)의 바로 부근에서 플라즈마 형성 및 도가니(201) 내의 물질(202)의 제거를 방지하도록 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 유도 코일(203a)에 인가되는 제1 전력(301a)은 제2 유도 코일(203b)에 인가되는 제2 전력(301b)보다 높을 수 있다. 더 높은 전력을 인가하면 유도 가열이 증가하고 결과적으로 더 높은 온도가 발생한다. 이와 같이, 제1 유도 코일(203a)에 대응하는 제1 열 구역(204)은 이러한 예에서 제2 유도 코일(203b)에 대응하는 제2 열 구역(205)보다 더 높은 온도를 갖는다.
다른 예에서, 제2 유도 코일(203b)에 인가되는 제2 전력(301b)은 제1 유도 코일(203a)에 인가되는 제1 전력(301a)보다 높을 수 있다. 더 높은 전력을 인가하면 유도 가열이 증가하고 결과적으로 더 높은 온도가 발생한다. 이와 같이, 제2 유도 코일(203b)에 대응하는 제2 열 구역(205)은 이러한 예에서 제2 유도 코일(203b)에 대응하는 제1 열 구역(204)보다 더 높은 온도를 갖는다.
제1 열 구역(204)이 더 낮은 온도에 있고 제2 열 구역(205)이 더 높은 온도에 있을 때, 도가니(201) 내에 포함된 물질(202)은 제1 열 구역(204)에서 용융되고 제2 열 구역(205)에서 증발될 수 있다. 일부 예에서, 제어 시스템(304)은 제1 온도가 도가니(201) 내에 포함된 물질(202)을 용융시키기 위한 제1 온도 임계값을 충족하거나 초과하게끔 하나 이상의 유도 코일(203a, 203b)에 인가된 전력을 제어하도록 배열될 수 있다. 일부 예에서, 제어 시스템(304)은 제2 온도가 도가니(201) 내에 포함된 물질(202)의 증발을 위한 제2 온도 임계값을 충족하거나 초과하게끔 하나 이상의 유도 코일(203a, 203b)에 인가된 전력을 제어하도록 배열될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 열 구역은 도가니(201) 내에 포함된 물질(202)의 일부 또는 대부분을 포함할 수 있다. 제2 열 구역(205)은 도가니(201) 내에 포함된 물질(202)의 일부 또는 소수를 포함할 수 있다. 그러한 경우, 물질(202)의 대부분은 물질(202)이 용융 상태에 있게 하는 온도에서 유지될 수 있고 소수의 물질은 물질(202)이 증발되도록 하는 온도에서 유지될 수 있다.
더 높은 온도의 제2 열 구역(205) 아래에 더 낮은 온도의 제1 열 구역(204)을 구성하면 물질이 가열되고 증발될 때 도가니(201)에서 용융된 물질(202)의 튐 및 얼룩을 최소화할 수 있다. 이는 제1 열 구역(204)의 물질(202)이 제2 열 구역(205)의 물질(202)보다 더 낮은 속도로 가열되기 때문이다.
위에서 언급한 바와 같이, 일부 예에서 유도 도가니 장치(300)는 증발 증착원으로서 사용될 수 있다. 이러한 경우, 유도 도가니 장치(300)는 물질(202)을 증발 및 증착하기 위해 고온, 예를 들어 2000도 이상에서 작동할 수 있다. 2000도 이상의 고온은 도가니(201) 내의 물질(202)을 가열하기 위해 전자총 시스템을 사용하지 않고 달성될 수 있다. 따라서 본원의 시스템 및 방법은 기존 시스템보다 간단할 수 있다.
이러한 예에서, 유도 도가니 장치(300)는 증착 챔버 내에 설치될 수 있다. 증착 챔버는 물질이 증착될 수 있는 기판을 포함할 수 있다. 증착 챔버는 증착 물질이 증착될 수 있는 기판을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 증착 물질은 유도 도가니 장치(300)로부터 생성된 물질 증기일 수 있다. 다른 예에서, 증착 물질은 유도 도가니 장치(300)로부터 생성된 물질 증기를 사용하여 생성될 수 있다.
증착 챔버에 존재하는 임의의 가스(예: 공기, 질소, 아르곤 및/또는 임의의 다른 비활성 기체)는 진공된 증착 챔버의 진공 압력이 기결정된 진공 압력, 예를 들어 3x10-3 토르에 도달하도록 증착 챔버로부터 배출될 수 있다. 증착 챔버의 기결정된 압력으로의 배기는 진공 펌프 시스템을 사용하여 수행될 수 있다. 그러한 진공 펌프 시스템은 증착 챔버 내의 가스 및/또는 공기를 배기시키기 위한 스크롤 또는 회전 펌프 및/또는 터보 펌프를 포함할 수 있다.
유도 도가니 장치(300)가 증발 증착원으로 사용되는 경우, 하나 이상의 유도 코일에 대한 전력 인가를 제어하여 도가니 내의 제1 및 제2 열 구역(204, 205)의 열 특성을 제어할 수 있다. 결과적으로, 제1 및 제2 열 구역(204, 205)의 특성은 기판 상의 증착 물질의 특성을 결정할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 열 구역(204, 205)의 특성을 독립적으로 제어하는 능력은 기판 상의 증착 물질의 두께 및/또는 밀도, 기판 상의 증착 물질의 증착 속도(예: 물질 증기의 증기 플럭스), 증착의 품질(예: 물질 증기의 증기 플럭스의 균일성) 등에 대한 제어를 제공할 수 있다. 하나 이상의 유도 코일에 인가되는 전력을 조정하는 것은 기판 상에 증착을 위한 물질 증기의 고압 증기 플럭스를 생성할 가능성을 제공할 수 있다.
일부 예에서, 2개 이상의 열 구역(204, 205)의 존재에 따라 열 구역 사이에 하나 이상의 열 기울기가 생성될 수 있다. 열 기울기의 생성은 예를 들어 도가니(201)에서 용융 물질(202)의 움직임을 유발할 수 있다. 용융 물질(202)은 도가니(201)에서 제1 열 구역(204)의 영역(도가니(201)의 제1 부분에서 생성됨) 및 제2 열 구역(205)(도가니(201)의 제2 부분에서 생성됨)의 영역에 포함될 수 있다. 제1 및 제2 열 구역(204, 205)의 영역은 제1 및/또는 제2 열 구역(204, 205)의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. 이와 같이, 제1 열 구역(204)과 제2 열 구역(205) 사이의 열 기울기로 인해 제1 열 구역(204)의 영역과 제2 열 구역(205)의 영역 사이에 용융 물질(202)의 교반이 존재할 수 있다.
용융 물질(202)의 교반은 열 에너지의 보다 균일한 분포를 제공할 수 있고 따라서, 예를 들어 가열될 때 도가니(201)에 포함된 물질(202)에 핫스팟 또는 콜드스팟이 없거나 더 적어 열 에너지의 분포가 상대적으로 균일하도록 보장할 수 있다. 물질(202)의 유도 가열은 또한 용융 물질(202)의 유도 교반을 생성할 수 있다. 유도 교반은 또한 보다 균일한 분포의 열 에너지, 따라서 보다 균일한 용융 물질(202)을 제공할 수 있다.
하나 이상의 온도 센서는 도가니(201)의 열 특성을 측정하기 위해 도가니(201)에 결합될 수 있다. 제1 온도 센서(311a)는 결합 기계(312a)를 통해 도가니(201)의 제1 열 구역(204)에 결합될 수 있다. 유사하게, 제2 온도 센서(311b)는 결합 기계(312b)를 통해 도가니(201)의 제2 열 구역(205)에 결합될 수 있다. 온도 센서(311a, 311b)는 온도와 같은 열 특성이 열 구역(204, 205) 중 적어도 하나에 대해 측정되도록 할 수 있다.
결합 기계(312a, 312b)는 온도 센서를 열 구역(204, 205)에 물리적으로 연결하거나 결합할 수 있다. 일부 예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 온도 센서(311a, 311b)는 주어진 열 구역(204, 205) 내에서 도가니 자체의 온도를 있는 그대로 측정한다. 예를 들어, 온도 센서(311a, 311b)는 도가니 자체에, 예를 들어 도가니 외부 또는 도가니 물질 내부에 물리적으로 연결될 수 있다. 다른 예에서, 온도 센서는 주어진 열 구역 내에서 도가니의 캐비티의 온도, 예를 들어 도가니 내에 포함된 물질의 온도를 측정한다. 예를 들어, 온도 센서는 도가니의 캐비티 또는 도가니 내에 포함된 물질에 물리적으로 연결될 수 있다.
온도 센서(311a, 311b)는 열전대(thermocouple), 서미스터(thermistor) 또는 온도 조절기와 같은 물체의 온도를 측정하는 임의의 장치일 수 있다. 온도 센서(311a, 311b)는 각각 제1 또는 제2 온도 중 적어도 하나의 측정을 나타내는 측정 데이터를 획득하도록 배열될 수 있다. 일부 예에서, 제1 온도는 제1 열 구역의 온도이고 제2 온도는 제2 열 구역의 온도이다.
온도 조절기의 경우와 같은 일부 예에서, 제1 및/또는 제2 열 구역(204, 205)의 온도 또는 다른 열 특성의 측정은 유도 코일에 인가되는 전력을 제어하거나 부분적으로 제어하는 데 사용될 수 있다. 유도 코일에 인가된 전력은 제어 시스템(304)과 같은 제어 시스템에 의해 제어될 수 있다. 제어 시스템은 온도 센서(311a, 311b)에 의해 획득된 측정 데이터를 포함할 수 있는 수신된 입력 데이터에 기반하여 전력(301a, 301b)을 제어하도록 배열될 수 있다.
예를 들어, 제1 및/또는 제2 유도 코일(203a, 203b)에 인가된 전력은 제1 및/또는 제2 열 구역(204, 205)에 대한 온도 센서(311a, 311b)에 의한 온도 측정에 적어도 부분적으로 기반하는 피드백 루프에 의해 제어될 수 있다. 그 결과, 제1 및/또는 제2 열 구역(204, 205)의 온도는 수동 개입 없이 자동으로 유지될 수 있다. 이와 같이, 제2 열 구역(205)에서 물질(202)의 실질적으로 일정한 증기 플럭스, 또는 기존 시스템보다 더 적은 증기 플럭스 변화를 갖는 물질(202)의 증기 플럭스가 달성될 수 있다. 즉, 물질(202)의 증발은 실질적으로 일정한 속도로 발생한다. 물질의 증기 플럭스는 증기 플럭스가 거의 일정할 때 실질적으로 일정한 것으로 간주될 수 있다. 예를 들어, 물질의 증기 플럭스는 측정 허용 오차 내에서 또는 증기 플럭스의 ±1, 5 또는 10% 이내의 증기 플럭스 변동으로 대략 일정할 수 있다.
유도 코일에 인가된 전력은 도 3의 제어 시스템(304)과 같은 제어 시스템에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 제1 열 구역(204)의 제1 온도가 유도 도가니 장치(300)에 의해 가열될 물질의 용융을 위한 제1 온도 임계값 미만임을 나타내는 입력 데이터에 응답하여, 제어 시스템(304)은 제1 열 구역(204) 내의 온도가 제1 온도 임계값을 충족하거나 초과할 때까지 제1 열 구역(204) 내의 온도를 증가시키도록 제1 유도 코일(203a)에 인가된 제1 전력(301a)을 제어할 수 있다. 유사하게, 제2 열 구역(205)의 제2 온도가 물질의 증발을 위한 제2 온도 임계값 미만임을 나타내는 입력 데이터에 응답하여, 제어 시스템은 제2 열 구역(205) 내의 온도가 제2 온도 임계값을 충족하거나 초과할 때까지 제2 열 구역(205) 내의 온도를 증가시키도록 제2 유도 코일(203b)에 인가된 제2 전력을 제어할 수 있다. 이와 반대로, 제어 시스템(304)은 제1 및/또는 제2 온도가 추가적인 제1 및/또는 제2 온도 임계값을 충족하거나 초과하는 것으로 결정되는 경우 (예를 들어, 도가니(201)로부터 증발된 물질의 플럭스가 원하는 용도에 비해 너무 높음) 제1 및/또는 제2 전력(301a, 301b)을 감소시키도록 유사하게 배열될 수 있다.
일부 예에서, 팽창 흑연 절연체와 같은 절연체(320)는 도가니(201) 주위에 그리고 도가니(201)와 하나 이상의 유도 코일(203a, 203b) 사이에 배열될 수 있다. 절연체(320)는 예를 들어 열 에너지의 전달을 억제하거나 제한할 수 있는 내열성 물질이다. 예를 들어, 절연체(320)는 도가니(201)로부터 유도 코일(203a, 203b)로의 열 에너지 전달을 억제할 수 있다. 유도 코일(203a, 203b)과 도가니(201) 사이에 절연체(320)를 배치함으로써, 절연체(320)는 도가니(201)로부터의 열로부터 유도 코일(203a, 203b)을 보호할 수 있다.
도 4는 유도 도가니 장치(400)의 개략도이다. 도 1 내지 3의 대응하는 특징과 유사한 도 4의 특징은 동일한 참조 번호로 표시된다. 달리 명시되지 않는 한, 해당 설명이 적용된다.
유도 도가니 장치(400)는 위에서 설명된 바와 같이 유도 가열을 통해 가열될 물질(202) 및 주위에 배열된 하나 이상의 유도 코일(이 경우, 제1 및 제2 유도 코일(203a, 203b))을 수용하기 위한 도가니(201)를 포함할 수 있다. 도가니(201)와 제1 및 제2 유도 코일(203a, 203b) 사이에는 절연체(320)가 존재하여 전력 인가 시 도가니(201) 내부에서 발생하는 열로부터 제1 및 제2 유도 코일(203a, 203b)을 보호할 수 있다.
일부 예에서, 적어도 하나의 유도 코일은 냉각 시스템에 의해 냉각될 수 있다. 제1 유도 코일(203a)을 냉각하기 위해 제1 냉각 시스템이 배치될 수 있다. 제2 유도 코일(203b)을 냉각하기 위해 제2 냉각 시스템이 배치될 수 있다. 제1 냉각 시스템 및 제2 냉각 시스템은 제1 유도 코일(203a) 및 제2 유도 코일(203b)에 각각 다른 냉각량을 적용할 수 있다.
일부 예에서, 냉각 시스템 중 적어도 하나는 수냉식 시스템이다. 예를 들어, 적어도 하나의 유도 코일은 수냉식 시스템에 의해 수냉될 수 있다. 예를 들어, 제1 유도 코일(203a)은 제1 수냉식 시스템에 의해 수냉될 수 있으며, 이 경우 제1 및 제2 요소(401a, 402a)(단지 예시일 뿐임)를 포함한다. 제1 및 제2 요소(401a, 402a)는 튜브, 파이프 또는 물이 통과할 수 있게 하는 기타 중공 용기를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 요소(401a, 402a)는 열 에너지가 제1 유도 코일(203a)로부터 제1 및 제2 요소(401a, 402a) 및 내부의 물로 통과할 수 있도록 제1 유도 코일(203a)과 열 접촉할 수 있다. 도 4에서, 제1 요소(401a)는 제1 유도 코일(203a)의 하부 에지에 평행하게 연장되고, 제2 요소(402a)는 제1 유도 코일(203a)의 상부 에지에 평행하게 연장되지만, 이는 단지 예시일 뿐이다. 제1 유도 코일(203a) 주위에서, 제1 및 제2 요소(401a, 402a)를 통해 흐르는 물은 제1 유도 코일(203a)과의 열 접촉으로 인해 가열될 수 있고 제1 유도 코일로부터 열 에너지의 적어도 일부를 외부로 전달할 수 있다. 이와 같이 물은 열 전달 매체로 사용된다. 제1 및 제2 요소(401a, 402a)는 구리, 금속 또는 기타 열 전도성 물질로 제조될 수 있다. 열 에너지를 제1 유도 코일(203a)로부터 멀리 전달하면 제1 유도 코일(203a)이 냉각될 것이다. 수냉식 시스템(401a, 402a)의 물은 제1 유도 코일(203a)을 냉각시키기 위해 제1 요소(401a)를 통과한 다음 후속적으로 제 2 요소(402a)를 통과할 수 있다.
유사하게, 제2 유도 코일(203b)은 이 예에서 제3 및 제4 요소(401b 및 402b)(단지 예일 뿐임)를 포함하는 제2 수냉식 시스템에 의해 수냉될 수 있다. 제3 및 제4 요소(401b, 402b)는 전술한 제1 및 제2 요소(401a, 402a)와 유사할 수 있지만, 제1 유도 코일(203a)보다는 제2 유도 코일(203b)을 냉각하도록 배열된다.
제1 수냉식 시스템(401a, 402a)과 제2 수냉식 시스템(401b, 402b)은 서로 독립적이거나 연결되어 있을 수 있다. 일 예에서, 제1 수냉식 시스템(401a, 402a)과 제2 수냉식 시스템(401b, 402b)이 독립적인 경우, 하나의 수냉식 시스템에서 사용되는 물은 다른 시스템에서 사용되는 물과 분리되며, 예를 들어 시스템은 병렬로 실행된다. 다른 예에서, 제1 수냉식 시스템(401a, 402a)과 제2 수냉식 시스템(401b, 402b)이 함께 연결되면 물은 하나의 수냉식 시스템에서 다른 수냉식 시스템으로 재순환되며, 예를 들어 시스템은 직렬로 실행된다.
제1 및 제2 열 구역(204, 205)의 온도는 각각 제1 수냉식 시스템(401a, 402a) 및 제2 수냉식 시스템(401b, 402b)의 구성에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 유도 코일(203a, 203b)에 인가된 전력은 실질적으로 일정할 수 있고, 이는 제1 및 제2 열 구역(204, 205)의 실질적으로 유사한 유도 가열을 초래할 수 있다. 그러나, 제1 수냉식 시스템(401a, 402a) 및/또는 제2 수냉식 시스템(401b, 402b)의 상이한 구성의 적용에 의해, 제1 및 제2 열 구역(204, 205)에 대한 상이한 냉각이 발생할 것이다. 예를 들어, 제1 열 구역(204)에 더 큰 수냉 강도가 가해져 제1 수냉식 시스템(401a, 402a)을 통해 흐르는 물이 더 빠른 속도로 흐르도록 구성되어 제1 열 구역(204)에서 더 많은 열 에너지를 제거한다면, 제1 열 구역(204)에 대해 더 큰 냉각이 초래될 것이다. 그 결과, 제1 열 구역(204)은 제2 열 구역(205)보다 더 낮은 온도를 가질 것이다.
열 전달 매체로서 물을 사용하는 것과 관련하여 수냉식 시스템이 설명되었지만, 다른 냉각제가 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 오일, 탈이온수(deionized water) 또는 틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜과 같은 적절한 유기 화학 용액처럼 높은 열용량을 가진 다른 액체가 수냉식 시스템에 사용될 수 있다.
도가니(201) 아래에 위치한 챔버(410)는 도가니(201)가 깨질 경우 유도 도가니 장치(400)를 보호하기 위해 설치될 수 있다. 챔버(410)는 도가니(201)로부터 빠져나가는 물질(202)을 수집하는 데 사용될 수 있다. 도가니(201)가 깨지면. 도가니(201)로부터 빠져나가는 물질(202)을 수집하는 것은 물질(202)이 증착 챔버로 빠져나가는 것 및/또는 도가니 장치(400) 근처의 다른 구성요소를 오염시키는 것을 방지할 수 있다.
또한, 챔버(410)는 유도 도가니 장치(400)의 베이스(201c)로의 열 에너지 전달을 방지하기 위해 수냉될 수 있다. 제3 수냉식 시스템(420a-420d)은 도가니의 베이스(201c)를 냉각시키기 위해 존재할 수 있다. 수냉식 시스템(420a-420d)을 위한 물은 제1 요소(420a)에서 수냉식 시스템으로 들어갈 수 있고, 제2 요소(420b)를 통과하고, 제3 요소(420c)를 통과하여 제4 요소(420d)에서 수냉식 시스템을 빠져나갈 수 있다. 제1 수냉식 시스템(401a, 402a) 및 제2 수냉식 시스템(401b, 402b)과 관련하여 설명된 바와 같이, 제1, 제2, 제3 및 제4 요소(420a, 420b, 420c 및 420d)는 연속적인 튜브, 파이프 또는 기타 물이나 다른 냉각수가 흐를 수 있게 해주는 속이 빈 용기일 수 있다.
일부 예에서, 유도 코일(203a, 203b)은 내화재(430)로 둘러싸일 수 있다. 내화재(430)는 예를 들어 하나 이상의 유도 코일(203a, 203b) 주위에 적어도 부분적으로 배열될 수 있다. 제1 수냉 시스템(401a, 402a) 및 제2 수냉 시스템(401b, 402b)은 또한 내화재(430)에 수용될 수 있다. 내화재(430)는 예를 들어 열 에너지의 전달을 억제하거나 제한할 수 있는 내열성 물질이다. 예를 들어, 내화재(430)는 도가니(201)로부터 유도 코일(203a, 203b)로의 열 에너지 전달을 억제할 수 있다. 내화재(430)에 유도 코일(203a, 203b)을 둘러쌈으로써, 내화재(430)는 도가니(201)로부터의 열로부터의 손상으로부터 유도 코일(203a, 203b)을 보호할 수 있다.
일부 예에서, 유도 도가니 장치(400)의 크기 및/또는 형상은 기판의 크기 및/또는 형상과 일치하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 유도 도가니 장치(400)는 기판의 치수와 일치시키기 위해 특정 치수로 제조되거나 선택될 수 있다. 즉, 주어진 기판에 대해 적절한 도가니가 선택될 수 있다. 유도 도가니 장치(400)의 크기 및/또는 형상을 기판의 형상에 일치시키는 것은 기판 상의 증착 물질의 증착을 위한 물질 증기의 생성을 최적화하는 효율적인 방법을 제공할 수 있다. 예를 들어, 도가니의 물질(202)은 증착 물질이 모든 기판 상에 증착되어, 기판의 부분이 증착된 물질이 포함하지 않도록 하는 기하학적 구조로 생성될 수 있다.
일부 예에서, 유도 도가니 장치(400)의 크기 및/또는 형상은 기판을 포함하는 증착 챔버와 일치하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도가니 장치는 증착 챔버의 치수와 일치시키기 위해 특정 치수로 제조되거나 선택될 수 있다. 즉, 주어진 증착 챔버에 대해 적절한 도가니가 선택될 수 있다. 유도 도가니 장치(400)의 크기 및/또는 형상을 증착 챔버에 일치시키는 것은 또한 증착 챔버 내의 기판 상의 도가니(201) 내의 물질(202)의 증착을 최적화하는 효율적인 방법을 제공할 수 있다. 유도 도가니 장치(400)는 증착 챔버의 형상 및/또는 치수와 일치하는 특정 형상 및/또는 치수에 기반하여 선택될 수 있다. 그러한 선택은 기판 상의 증착 물질의 증착의 크기를 증가시키는 효율적인 방법을 제공할 수 있다.
일부 예에서, 유도 도가니 장치(400)는 증착 챔버 내에 설치된다. 물질 증기를 제공하는 도가니(201)의 제1 및 제2 열 구역으로 인해, 증착 챔버는 물질 증기를 제공하기 위한 전자총 시스템을 포함하는 동급의 장치보다 더 높은 진공 압력(즉, 더 낮은 진공)으로 유지될 수 있다. 그러한 경우, 증착 챔버를 더 높은 압력으로 유지하는 것은 증착 챔버 내의 공기 또는 가스가 비워지는 시간을 감소시켜 보다 효율적인 공정을 생성할 수 있다.
증착 챔버를 더 높은 압력으로 유지하여 증착 공정 동안 반응성 증착(reactive deposition)을 수행 가능하도록 할 수 있다. 반응성 증착에서, 증착 챔버 내로 주입될 수 있는 증착 챔버의 가스는 유도 도가니 장치(400)로부터 물질 증기(202)와 화학적으로 반응할 수 있는 하나 이상의 화학 원소 및/또는 분자를 포함할 수 있다. 물질 증기(202)와 요소 및/또는 분자는 화학적으로 반응하여 하나 이상의 증착 물질을 생성할 수 있다. 이후, 증착 물질을 증착 공정의 일부로서 사용할 수 있다. 예를 들어, 증착 물질은 기판에 증착될 수 있다.
일부 예에서, 유도 도가니 장치(400)는 연속 공급 시스템을 포함할 수 있으며, 이에 의해 물질은 도가니(201) 내로 연속적으로 공급되거나 그렇지 않은 경우보다 더 자주 공급되어 도가니(201) 내의 물질(202)의 양이 감소하지 않거나 특정한 임계값을 초과하여 유지된다. 유도 도가니 장치(400)에 연속 공급 시스템을 포함하면 도가니(201)에 물질(202)을 보충하기 위해 유도 도가니 장치(400)를 종료할 필요가 없게 될 수 있다. 이러한 경우 유도 도가니 장치의 가동 중지 시간을 감소시키고 보다 효율적인 시스템을 제공할 수 있다.
도 5a는 기판 지지부(500)의 개략도이다. 도 1 내지 도 4의 대응하는 특징부와 유사한 도 5a의 특징부는 동일한 참조 번호로 라벨링된다. 달리 명시되지 않는 한 해당 설명이 적용된다. 기판 지지부(500)는 기판(501)을 지지하도록 구성된다. 기판 지지부(500)는 플레이트, 와이어, 홀더, 롤-투-롤(roll-to-roll), 릴-투-릴(reel-to-reel) 또는 증착 과정에서 기판(501)을 지지하기 위한 다른 유형의 고정 장치로 구성될 수 있다. 증착 물질은 증착 물질의 층(502)을 생성하기 위해 기판(501) 상에 증착될 수 있다.
일부 예에서, 증착된 물질은 도 2 내지 4를 참조하여 설명된 유도 도가니 장치(200, 300, 400)와 같은 유도 도가니 장치에 의해 생성된 물질 증기의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 증착 물질은 반응성 증착 공정의 결과의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유도 도가니 장치에 의해 생성된 물질 증기는 증착 챔버에서 하나 이상의 가스와 반응할 수 있다. 보다 구체적으로, 물질 증기는 증착 구역에서 하나 이상의 가스와 반응할 수 있다. 증착 챔버 내로 주입되고 증착 구역으로 들어갈 수 있는 하나 이상의 가스는 유도 도가니 장치로부터의 물질 증기와 화학적으로 반응하여 증착 물질을 형성할 수 있는 하나 이상의 화학 원소 및/또는 분자를 포함할 수 있다. 그 다음, 증착 물질은 증착된 물질의 층(502)을 생성하기 위해 기판 상에 증착될 수 있다.
도 5b는 기판 지지부(550)의 개략도이다. 도 1 내지 4의 대응하는 특징부와 유사한 도 5b의 특징부는 동일한 참조 번호로 라벨링된다. 달리 명시되지 않는 한 해당 설명이 적용된다.
기판 지지부(550)는 지지 시스템(550a, 550b)에 의해 지지되는 기판(501)을 포함할 수 있다. 지지 시스템(550a, 550b)은 기판(501)을 하나 이상의 방향으로 이동할 수 있다. 증착 물질(510)은 증착 물질의 층(502)을 생성하기 위해 기판(501) 상에 증착될 수 있다. 증착된 물질의 층(502)의 점-선 윤곽은 그 층(502)이 증착 물질(510)과 동일한 증착된 물질을 포함한다는 것을 나타내기 위해 예시된다. 증착 물질(510)은 증착 물질의 층(502)을 생성하기 위해 기판(501) 상에 방향(520)으로 증착된다.
기판 지지부(550)는 도 5b에 도시된 바와 같이 롤-투-롤 또는 릴-투-릴 시스템의 일부를 형성할 수 있다. 기판 지지부(550)는 증착 물질(510)에 대해 기판(501)을 이동시키는 것을 돕는 하나 이상의 롤러(550a, 550b)를 포함할 수 있다. 기판(501)은 롤러(550a, 550b)에 의해 지지될 수 있다.
기판(501)은 신축성이 있어 롤러(550a, 550b)에 감길 수 있다. 예를 들어, 기판(501)은 증착 물질(510)이 기판(501)에 증착될 수 있도록 먼저 제1 롤러(550a)에 감기고, 제1 롤러(550a)로부터 점차 풀린 후 기판(501)은 제2 롤러(550b)에 감길 수 있다. 이는 기판(501)의 연속적인 롤을 생성한다. 그러나, 다른 예에서, 기판(501)은 상대적으로 강성이거나 신축성이 없을 수 있다. 그러한 경우에, 기판(501)은 기판을 구부리지 않고 또는 실질적으로 기판을 구부리지 않고 지지 시스템(550a, 550b)에 의해 증착 물질(510)에 대해 이동할 수 있다.
기판(501)의 롤은 롤러(550a) 주위에 감을 때 기판(501) 상에 하나 이상의 층(502)을 갖지 않을 수 있다. 도시된 예에서, 기판(501) 상에 증착된 물질의 층(502)이 있다. 기판(501)의 롤이 롤러(550a)로부터 점차 풀리면서, 기판 지지부는 기판(501)을 향한 방향(520)으로 이동하는 증착 물질(510)에 대해 기판(501)을 이동시킨다.
도 6은 플라즈마 소스(610)를 포함하는 플라즈마 생성 시스템(600)의 개략도이다. 도 1 내지 5의 대응하는 특징들과 유사한 도 6의 특징들은 동일한 참조 번호로 표시되어 있다. 달리 명시되지 않는 한 해당 설명을 적용해야 한다.
플라즈마 소스(610)는 유도 도가니 장치(도시되지 않음)와 기판 지지부(도시되지 않음) 사이에 플라즈마(620)를 생성하도록 구성된다. 플라즈마 소스(610)는 플라즈마(620)가 예를 들어, 유도 도가니 장치에 실질적으로 존재하지 않도록, 예를 들어 도가니 내에 실질적으로 존재하지 않도록 플라즈마(620)를 생성하도록 구성될 수 있다. 플라즈마(620)는 플라즈마(620)가 유도 도가니 장치로부터 멀리 생성될 때 실질적으로 존재하지 않는 것으로 간주될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마(620)는 플라즈마(620)가 유도 도가니 장치에 충돌하거나 물리적으로 접촉하지 않도록 생성될 수 있다. 플라즈마(620)와 도가니 사이에 공간이 있을 수 있어, 플라즈마 소스(610)에 의해 생성된 플라즈마(620)가 도가니 내의 물질과 충돌하거나 물리적으로 접촉하지 않는다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 위에서 설명한 바와 같이, 유도 도가니 장치는 물질 증기(210)를 생성하도록 구성된다. 물질 증기가 존재할 수 있는 영역은 증착 구역(230)으로 지칭될 수 있다. 증착 구역(230)은 물질 증기(210)가 이동할 수 있는 유도 도가니 장치와 기판 지지부 사이의 영역을 포함한다. 증착 구역(230)의 에지는 점선으로 도시된다.
물질 증기(210)는 유도 도가니 장치로부터 멀어지고 플라즈마(620)를 향하는 방향(220)으로 이동할 수 있다. 적어도 부분적으로 플라즈마(620)를 통한 물질 증기(210)의 전달은 기판 상의 증착을 위한 증착 물질(510)을 생성할 수 있다. 플라즈마(620)를 통한 전송으로 인해, 증착 물질(510)은 이온, 전자 및 중성 원자/분자의 에너지 구름을 포함할 수 있다.
일부 예에서, 물질 증기(210)는 플라즈마(620)와 상호작용하여 물질 증기(210)의 특성을 수정하여 증착 물질(510)을 생성할 수 있다. 물질 증기(210)의 특성은 물리적 또는 물질적 특성(예: 열 에너지 또는 물질 증기의 밀도) 및/또는 화학적 특성(예: 화학적 조성)으로 고려될 수 있다. 일부 예들에서, 플라즈마(620)와의 상호작용은 증착 물질(510)을 생성하기 위해 물질 증기(210)와 관련된 에너지가 유지되거나 증가되게 할 수 있다. 이와 같이, 증착 물질(510)은 고에너지 결정 구조를 갖는 증착 물질을 형성하기에 충분한 에너지로 기판 상에 증착될 수 있다. 더 많은 에너지를 제공하고 따라서 고에너지 증착 물질(510)을 생성하기 위해 물질 증기(210)를 플라즈마(620)와 상호작용함으로써, 추가 공정 단계로부터 추가 에너지를 제공해야 하는 필요가 없어질 수 있다. 예를 들어, 플라즈마(610)와 물질 증기(210)의 상호작용이 결정질 구조를 생성하는 데 필요한 고에너지 증착 물질(510)을 생성하는 데 필요한 에너지를 제공할 수 있기 때문에 증착 공정에서 어닐링 단계가 필요하지 않을 수 있다.
플라즈마 소스(610)는 예를 들어, 유도 결합 플라즈마 소스일 수 있다. 플라즈마 소스(610)는 예를 들어, 하나 이상의 안테나(601a, 601b)를 포함할 수 있다. 이를 통해 적절한 무선 주파수(RF) 전력이 무선 주파수 전원 공급 시스템(도시되지 않음)에 의해 구동되어 증착 챔버 내의 가스로부터 유도 결합 플라즈마(620)를 생성할 수 있다. 플라즈마 소스(610)는 증착 챔버의 증착 구역(230)에서 적어도 부분적으로 플라즈마(620)를 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마(620)는 증착 구역(230)에서 방향(220)으로 이동하는 물질 증기(210)가 플라즈마(620)와 상호작용할 수 있도록 증착 챔버 내의 위치에서 생성된다.
일부 예들에서, 플라즈마(620)는 예를 들어 1MHz와 1GHz 사이의 주파수; 1MHz와 100MHz 사이의 주파수; 10MHz와 40MHz 사이의 주파수; 또는 대략 13.56MHz 또는 그 배수의 주파수에서 하나 이상의 안테나들(601a, 601b)을 통해 무선 주파수 전류를 구동함으로써 생성될 수 있다. RF 전력은 증착 챔버에서 가스의 이온화를 유발하여 플라즈마(620)를 생성한다. 하나 이상의 안테나(601a, 601b)를 통해 구동되는 RF 전력을 조정하는 것은 플라즈마(620)의 밀도에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 플라즈마 소스(610)에서 RF 전력을 제어함으로써, 플라즈마(620)의 특성들이 제어될 수 있다. 이는 결과적으로 증착 시스템(100)의 작동에서 유연성을 개선할 수 있다.
안테나(601a, 601b)는 증착 챔버의 증착 구역(230)으로부터 실질적으로 멀리 플라즈마(620)를 생성하도록 구성될 수 있다. 플라즈마(620)는 플라즈마(620)가 증착 챔버의 증착 구역(230) 외부에서 생성될 때 실질적으로 떨어져 있는 것으로 간주될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마(620)는 증착 구역(230) 외부에서 적어도 부분적으로 생성될 수 있다. 즉, 플라즈마(620)는 증착 구역(230)으로부터 원격으로 생성될 수 있다. 그 다음, 플라즈마(620)는 증착 구역(230) 외부로부터 유도되고 증착 구역(230) 내에 고정될 수 있다. 안테나(601a, 601b)는 서로에 대해 실질적으로 평행하게 연장될 수 있고 서로로부터 측방향으로 구성될 수 있다. 안테나(601a, 601b)는 안테나(601a, 601b)가 서로에 대해 대략 평행하게 배열될 때 서로에 대해 실질적으로 평행한 것으로 간주될 수 있다. 예를 들어, 안테나(601a, 601b)는 측정 허용 오차 내에서 또는 평행으로부터 ±1, 2 또는 5도 이내의 각도 편차로 서로 평행하게 배열될 수 있다. 즉, 안테나(601a, 601b) 사이의 거리는 안테나(601a, 601b)의 길이를 따라 일정하다. 또한, 안테나(601a, 601b)는 안테나(601a, 601b)가 서로의 바로 위 및 아래에 구성되도록 서로로부터 측방향으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 안테나(601a)는 증착 챔버에서 안테나(601b) 바로 위에 구성된다. 안테나(601a, 601b)의 이러한 구성은 안테나(601a, 601b) 사이의 거리가 안테나(601a, 601b)의 길이를 따라 일정하기 때문에 안테나(601a, 601b) 사이의 긴 플라즈마 영역(620)의 정확한 생성을 허용할 수 있다. 따라서 플라즈마(620)는 안테나(601a, 601b)의 길이를 따라 일관되게 생성되어 플라즈마(620)의 신장된 영역을 생성할 수 있다. 플라즈마(620)의 신장된 영역의 편재된 특성은 생성된 플라즈마(620)를 증착 구역(230)에 정밀하게 고정되도록 할 수 있다.
일부 예에서, 안테나(601a, 601b)는 플라즈마(620)가 증착 구역(230)의 폭에 대응하는 길이를 갖는 영역에 걸쳐 생성되도록 구성될 수 있다. 이것은 기판 상의 증착을 위해 균일하거나 균일한 증착 물질(510)을 생성하기 위해 물질 증기(210)와 플라즈마(620)가 균일하거나 균질하게 상호작용하도록 할 수 있다.
추가적으로, 또는 대안적으로, 안테나(601a, 601b)는 길이가 기판 지지부에 의해 지지되는 기판의 폭과 유사할 수 있다. 안테나(601a, 601b)는 플라즈마(620)가 기판의 폭에 대응하는 길이를 갖는 영역에 걸쳐 생성되도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 구성은 플라즈마(620)가 기판의 폭에 걸쳐 균일 또는 균질하도록 허용할 수 있다. 이것은 기판 상에 균일하거나 균일한 증착 물질(510)을 증착하기 위해 기판 상에 증착 물질이 균일하거나 균질하게 생성되도록 수 있다.
플라즈마 소스(610)는 하나 이상의 한정 요소(602a, 602b, 603a, 603a)를 포함할 수 있다. 물질 증기(210)가 플라즈마(620)와 상호작용하도록 하기 위해, 제1 한정 요소(602a, 602b)는 안테나(601a, 601b)로부터 증착 구역(230)을 향해 플라즈마(620)를 안내하고 증착 구역(230) 내에 적어도 부분적으로 플라즈마(620)를 한정하도록 배열될 수 있다.
플라즈마(620)는 적어도 증착 구역(230)에서 고밀도 플라즈마일 수 있다. 예를 들어, 플라즈마(620)는 적어도 증착 구역(230)에서 1011 cm-3 이상의 밀도를 가질 수 있다. 증착 구역(230)의 고밀도 플라즈마(620)는 물질 증기(210)와 플라즈마(620) 사이의 효과적인 및/또는 고속 상호작용을 허용할 수 있다.
제1 한정 요소(602a, 602b)는 안테나(601a, 601b)로부터 증착 구역(230)을 향해 플라즈마를 안내하고 증착 구역(230) 내에 적어도 부분적으로 플라즈마를 한정하기 위해 제1 한정 자기장을 제공하도록 구성된 자기 요소일 수 있다. 제1 한정 자기장은 안테나(601a, 601b)로부터 증착 구역(230)을 향한 경로를 따르도록 배열된 자기장 라인에 의해 특징지어질 수 있다. 플라즈마(620)는 자기장 라인을 따르는 경향이 있고, 따라서 증착 구역(230) 내의 안테나(601a, 601b)로부터 제1 한정 요소(602a, 602b)에 의해 한정된다. 예를 들어, 한정 자기장 내에서 그리고 초기 속도로 플라즈마 이온은 이온이 자기장 라인 주위의 주기적인 운동을 따르게 하는 로렌츠 힘(Lorentz force)을 경험할 것이다. 초기 운동이 자기장에 수직이 아닌 경우 이온은 자기장 선을 중심으로 나선형 경로를 따른다. 이러한 이온을 포함하는 플라즈마는 자기장 라인을 따르는 경향이 있으므로 그에 따라 정의된 경로로 유도된다. 따라서, 제1 한정 요소(602a, 602b)는 플라즈마(620)가 한정 자기장에 의해 증착 구역(230)을 향해 유도되고 증착 구역(230) 내에 적어도 부분적으로 한정되도록 적절하게 배열될 수 있다.
일부 예에서, 제1 한정 요소(602a, 602b)는 적어도 증착 구역(230)에서 기판 지지부 및/또는 도가니 장치의 경로에 실질적으로 평행한 경로를 따르는 자기장 라인을 특징으로 하는 한정 자기장을 제공하도록 배열될 수 있다. 이것은 증착 구역(230)에 걸친 플라즈마(620)의 보다 균일한 분포를 허용할 수 있고, 이는 물질 증기(210)와 플라즈마(620) 사이의 보다 균일한 상호작용을 허용하여 증착 물질(510)을 생성하고 기판 상의 증착 물질(510)이 보다 균일하게 증착되도록 할 수 있다.
일부 예에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 플라즈마 소스(610)는 제1 한정 요소(602a, 602b) 및 제2 한정 요소(603a, 603b)를 포함할 수 있다. 플라즈마 소스(610)는 증착 구역(230)이 증착 구역(230) 내에 플라즈마(620)를 한정하기 위해 제1 한정 요소(602a, 602b)와 제2 한정 요소(603a, 603b) 사이에 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 한정 요소(602a, 602b, 603a, 603b)는 자기 요소일 수 있다. 제1 및 제2 한정 요소(602a, 602b, 603a, 603b)는 플라즈마(620)를 안테나(601a, 601b)로부터 증착 구역(230) 내로 한정하는 한정 자기장을 함께 제공하도록 배열될 수 있다(즉, 증착 구역(230)의 일 측과 다른 측 사이에 플라즈마(620)를 한정함). 예를 들어, 제1 및 제2 한정 요소(602a, 602b, 603a, 603b)는 상대적으로 높은 자기장 강도의 영역이 제1 및 제2 한정 요소(602a, 602b, 603a, 603b) 사이에 제공되도록 배열될 수 있다. 상대적으로 높은 자기장 강도의 영역은 증착 구역(230)을 통해 연장될 수 있다. 제1 및 제2 한정 요소(602a, 602b, 603a, 603b)에 의해 생성된 한정 자기장은 적어도 증착 구역(230)에서 기판 지지부 및/또는 도가니 장치에 실질적으로 평행한 경로를 따르는 자기장 라인을 특징으로 할 수 있다. 이것은 증착 구역(230)에 걸친 플라즈마(620)의 보다 균일한 분포를 허용할 수 있고, 따라서 물질 증기(210)와 플라즈마(620) 사이의 보다 균일한 상호작용을 허용하여 증착 물질(510)을 생성하고 기판 상의 증착 물질(510)의 보다 균일한 증착을 허용할 수 있다.
일부 예에서, 제1 및 제2 한정 요소(602a, 602b, 603a, 603b) 중 적어도 하나는 한정 자기장을 제공하도록 제어 가능한 전자석(electromagnet)일 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 한정 요소(602a, 602b, 603a, 603b) 중 하나 또는 둘 모두는 전자석일 수 있다. 플라즈마 소스(610)는 하나 이상의 전자석에 의해 제공되는 자기장의 강도를 제어하도록 배열된 제어기(미도시)를 포함할 수 있다. 이는 한정 자기장이 제어되도록 할 수 있으며, 예를 들어 한정 자기장을 특징짓는 자기장 라인의 배열을 제어할 수 있다. 이는 유도 도가니 장치와 기판 지지부 사이의 플라즈마 밀도가 조정되도록 할 수 있고 따라서 기판 상의 증착 물질의 증착에 대한 제어를 개선할 수 있다. 이는 증착 시스템의 작동에서 유연성을 개선할 수 있다.
일부 예에서, 제1 및 제2 한정 요소(602a, 602b, 603a, 603b) 중 적어도 하나는 플라즈마(620)가 도가니 내의 물질과 충돌하거나 물리적으로 접촉하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마(610)는 도가니 내의 물질의 표면 또는 메니스커스(meniscus)를 물리적으로 터치하도록 배열될 수 있다.
일부 예에서, 제1 및 제2 한정 요소(602a, 602b, 603a, 603b) 중 적어도 하나는 플라즈마(620)가 유도 도가니 장치에 실질적으로 존재하지 않도록 배열될 수 있다. 이러한 배열은 플라즈마(620)가 도가니 내의 물질에 충돌하거나 물리적으로 접촉하는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 또한, 플라즈마(620)를 유도 도가니 장치로부터 실질적으로 멀리 배치하는 것은 플라즈마(620)에 의한 도가니에 대한 손상을 감소시킨다. 예를 들어, 플라즈마(620)는 유도 도가니 장치로부터 1밀리미터 내지 1미터 또는 그 이상의 거리로 이격되도록 배치될 수 있다.
일부 예에서, 제1 및 제2 한정 요소(602a, 602b, 603a, 603b) 중 적어도 하나는 솔레노이드(solenoid)에 의해 제공될 수 있다. 각각의 솔레노이드는 하나 이상의 코일을 포함할 수 있고 플라즈마(620)가 제한되거나 사용 중일 때 이를 통해 통과할 수 있는 개구부로 정의될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 솔레노이드 한정 요소(602a, 602b, 603a, 603b)가 있을 수 있으며, 그 사이에 증착 구역(230)이 위치된다. 플라즈마(620)는 안테나(601a, 601b)로부터 제1 솔레노이드 한정 요소(602a, 602b)를 통해 증착 구역(230)으로, 그리고 제2 솔레노이드 한정 요소(603a, 603b)를 향하여 통과할 수 있다. 제1 솔레노이드 한정 요소(602a, 602b)는 제1 솔레노이드 한정 요소의 두 부분(예를 들어, 602a 및 602b)을 보여주는 단면으로 도시되어 있다. 유사하게, 제2 솔레노이드 한정 요소(603a, 603b)는 제2 솔레노이드 한정 요소(603a, 603b)의 두 부분(예를 들어, 603a 및 603b)을 보여주는 단면으로 도시되어 있다. 제2 솔레노이드 한정 요소(603a, 603b)는 전술한 제1 솔레노이드 한정 요소(602a, 602b)의 특징 중 임의의 것 또는 조합을 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 물질 증기(210)는 플라즈마(620)를 통해 적어도 부분적으로 전달될 수 있다. 플라즈마(620)를 통한 물질 증기(210)의 전달은 기판 상에 증착을 위한 증착 물질(510)을 생성할 수 있다.
일부 예에서, 플라즈마(620)를 통한 물질 증기(210)의 전달은 물질 증기(210)가 플라즈마(620)와 상호작용하도록 할 수 있다. 보다 구체적으로, 물질 증기(210)는 플라즈마(620)의 이온화된 가스와 상호작용할 수 있다. 물질 증기(210)와 플라즈마(620)의 이온화된 가스의 상호작용은 증착 물질(510)이 생성되도록 물질 증기(210)의 특성을 변경하거나 수정할 수 있다. 다시 말해서, 물질 증기(210)는 플라즈마(620)와 상호작용하여 공정에서 물질 증기(210)의 특성을 변화시켜 결과적인 물질을 생성하고, 이는 증착 물질(510)로 지칭될 수 있다.
일부 예에서, 물질 증기(210)는 플라즈마(620)의 이온화된 가스와 상호작용하여 물질 증기(210)의 증기 플럭스가 수정된다. 따라서 결과적인 증착 물질(510)은 수정된 증기 플럭스를 가질 수 있다. 예를 들어, 유도 도가니 장치에 의해 생성된 물질 증기(210)의 증기 플럭스는 증착 구역(230)을 가로질러 실질적으로 일정하지 않을 수 있으며, 물질 증기(210)의 밀도가 높거나 낮은 영역이 있을 수 있다. 물질 증기(210)를 플라즈마(620)를 통해 전달하고, 따라서 물질 증기(210)를 플라즈마(620) 내의 이온화된 가스와 상호작용함으로써, 물질의 증기 플럭스의 변화 증기(210)는 감소될 수 있다.
일부 예에서, 물질 증기(210)는 플라즈마(620)의 이온화된 가스와 상호작용하여 물질 증기(210)의 화학적 특성이 수정된다. 따라서, 생성된 증착 물질(510)은 물질 증기(210)의 화학적 특성과 상이한 화학적 특성을 가질 수 있다.
예를 들어, 물질 증기(210)와 가스(예를 들어, 플라즈마의 이온화된 가스 및/또는 증착 챔버 내의 다른 가스) 사이의 하나 이상의 반응은 증착 물질(510)을 생성할 수 있다. 이러한 반응 공정을 반응성 증착 공정이라고 한다.
일부 예에서, 증착 챔버 내로 주입될 수 있는 증착 챔버 내의 가스는 유도 도가니 장치로부터의 물질 증기(210)와 화학적으로 반응할 수 있는 하나 이상의 화학 원소 및/또는 분자를 포함할 수 있다. 그 결과, 물질 증기(210)와 요소 및/또는 분자가 화학적으로 반응하여 하나 이상의 증착 물질(510)을 생성할 수 있다. 그 후 증착 물질(510)은 반응성 증착 공정의 일부로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 증착 물질(510)은 기판 상에 증착될 수 있다.
일부 예에서, 물질 증기(210)는 플라즈마의 이온화된 가스 및/또는 증착 챔버 내의 다른 가스와의 반응이 예를 들어 에너지 저장 장치 생성을 위한 증착 물질을 생성할 수 있도록 전구체 물질이거나 이를 포함할 수 있다.
예를 들어, 에너지 저장 장치의 생성을 위해, 물질 증기(210)는 에너지 저장 장치의 캐소드 층을 위한 전구체 물질이거나 이를 포함할 수 있다. 전구체 물질과의 반응이 일어날 수 있으며, 이는 예를 들어 캐소드 층에 적합한 증착 물질, 예를 들어 리튬 코발트 산화물, 리튬 철인산염 또는 알칼리 금속 다황화물 염과 같은 리튬 이온을 저장하기에 적합한 증착 물질을 생성한다.
추가적으로 또는 대안적으로, 물질 증기(210)는 에너지 저장 장치의 애노드 층을 위한 전구체 물질이거나 이를 포함할 수 있다. 전구체 물질과의 반응이 일어날 수 있으며, 이는 예를 들어, 애노드 층에 적합한 증착 물질, 예를 들어 리튬 금속, 흑연, 실리콘 또는 인듐 주석 산화물을 포함하는 증착 물질을 생성한다.
추가적으로 또는 대안적으로, 물질 증기(210)는 에너지 저장 장치의 전해질 층을 위한 전구체 물질이거나 이를 포함할 수 있다. 전구체 물질과의 반응이 일어나 전해질 층에 적합한 증착 물질, 예를 들어 리튬 인 산질화물(LiPON)과 같이 이온 전도성이지만 전기 절연체이기도 한 물질을 생성할 수 있다. 예를 들어, 물질 증기(210)는 플라즈마 및/또는 증착 챔버에서 질소 가스와의 반응을 통해 기판 상에 LiPON을 증착하기 위한 전구체 물질로서 LiPO이거나 이를 포함할 수 있다.
예를 들어, 플라즈마 및/또는 증착 구역(230)에서 가스의 농도를 제어하는 것은 가스와 유도 도가니 장치 및/또는 기판 상의 결정질 증착 물질의 결정 구조(예: 결정도)에 의해 생성된 물질 증기 사이의 반응 속도를 제어하는 데 사용될 수 있다. 일 예에서, 플라즈마 및/또는 증착 구역(230)에서 질소 가스의 농도를 제어하는 것은 LiPON 증착 물질을 생성하기 위해 LiPO 물질 증기와 질소 가스 사이의 반응 속도를 제어할 수 있다. 전해질 물질 LiPON은 고체 전해질 층을 형성하는 결정 구조를 갖는다. 결정 구조는 2차원 또는 3차원 격자로 배열될 수 있는 원자의 정렬된 배열을 갖는 규칙적인 구조를 가질 수 있다. 질소 가스의 농도를 조절함으로써 LiPON 증착 물질의 생성 속도를 조절할 수 있다. 또한, LiPON 증착 물질의 결정 구조가 제어될 수 있다. 다른 예에서, 플라즈마 및/또는 증착 구역(230)에서 산소 가스의 농도를 제어하는 것은 리튬 코발트 산화물(LiCoO) 증착 물질을 생성하기 위해 리튬 및/또는 코발트(전구체) 물질 증기와 산소 가스 사이의 반응 속도를 제어할 수 있다. 예를 들어, 물질 증기는 전구체 물질이 증착 물질을 생성하는 화학 반응에 참여하도록 전구체 물질로서 사용하기 위한 리튬 및/또는 코발트이거나 이를 포함할 수 있다. 유도 도가니 장치에 의한 전구체 물질의 가열 시, 리튬 및/또는 코발트 물질 증기가 생성된다. 플라즈마 및/또는 증착 구역에서 리튬 및/또는 코발트 물질 증기와 산소 가스의 상호작용은 리튬 코발트 산화물(LiCoO) 증착 물질을 생성할 수 있다. 반응성 증착 공정을 수행하는 능력은 기판 상에 증착을 위한 다양한 증착 물질을 생성할 가능성을 제공한다.
도 7은 플라즈마 생성 시스템(700)의 개략도이다. 도 1 내지 도 6의 대응하는 특징과 유사한 도 7의 특징은 동일한 참조 번호로 표시되어 있다. 달리 명시되지 않는 한 해당 설명이 적용된다.
도 7의 예에서 플라즈마 생성 시스템(700)은 도 6의 것과 유사하지만 유도 도가니 장치(미도시)와 기판 지지부(미도시) 사이에 적어도 하나의 가스(702a, 702b, 702c)를 제공하도록 구성된 가스 공급 시스템(701a, 701b, 701c)을 추가로 포함한다.
도 7의 가스 공급 시스템(701a, 701b, 701c)은 플라즈마(620)를 통해 제1 가스(702a)를 제공하는 제1 가스 유입구(701a)를 포함한다. 제1 가스 유입구(701a)가 제1 가스(702a)를 제공하도록 구성될 때, 플라즈마(620)의 이온화된 가스는 제1 가스(702a)의 이온화된 형태를 포함할 수 있다. 이와 같이, 물질 증기(210)의 물질은 플라즈마(610)의 이온화된 제1 가스(702a)와 상호작용(및 반응)할 수 있다.
일부 예에서, 제1 가스 유입구(701a)는 제1 가스(702a)가 예를 들어 플라즈마(620)를 통해 제공되도록, 예를 들어 제1 가스(702a)가 플라즈마(620)로 전달되도록 증착 시스템에 위치될 수 있다. 이와 같이, 제1 가스(702a)는 플라즈마(620)에서 이온화되어 제1 가스(702a)의 이온화된 형태를 생성할 수 있다.
가스 공급 시스템(701a, 701b, 701c)은 플라즈마(620)와 유도 도가니 장치 사이에 제2 가스(702b)를 제공하기 위한 제2 가스 유입구(701b)를 더 포함할 수 있다. 제2 가스 유입구(701b)가 제2 가스(702b)를 제공하도록 구성될 때, 증착 구역(230) 내의 가스의 적어도 일부는 제2 가스(702b)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 물질 증기(210)의 물질은 제2 가스(702b)와 상호작용(및 반응)할 수 있다.
일부 예에서, 제2 가스 유입구(701b)는 제2 가스(702b)가 유도 도가니 장치 위와 플라즈마(620) 아래에 제공되도록 증착 시스템에 위치할 수 있다. 이러한 구성에서, 유도 도가니 장치에 의해 생성되고 방향(220)으로 이동하는 물질 증기(210)는 먼저 제2 가스(702b)를 통해 전달된 다음 플라즈마(620)를 통해 전달될 것이다. 제2 가스(702b)를 통한 물질 증기(210)의 전달은 물질 증기(210)가 제2 가스(702b)와 상호작용하도록 할 수 있다. 또한, 플라즈마(620)를 통한 물질 증기(210)의 전달은 물질 증기(210)가 플라즈마(620)와 상호작용하도록 할 수 있다. 이러한 상호작용은 증착 물질(520)을 적어도 부분적으로 생성할 수 있다. 일부 예에서, 물질 증기(210)의 전부가 제2 가스(702b) 및/또는 플라즈마(620)와 상호작용하는 것은 아니다. 그 결과, 증착 물질(520)은 적어도 부분적으로 물질 증기(210)를 포함할 수 있다.
가스 공급 시스템(701a, 701b, 701c)은 플라즈마(620)와 기판 지지부 사이에 제3 가스(702c)를 제공하기 위한 제3 가스 유입구(701c)를 더 포함할 수 있다. 제3 가스 유입구(701c)가 제3 가스(702c)를 제공하도록 구성될 때, 증착 구역(230) 내의 가스의 적어도 일부는 제3 가스(702b)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 물질 증기(210)의 물질 및/또는 증착 물질(510)의 물질은 제3 가스(702c)와 상호작용(및 반응)할 수 있다.
일부 예에서, 제3 가스 유입구(701c)는 제3 가스(702c)가 플라즈마(620) 위에 그리고 기판 지지부 아래에 제공되도록 증착 시스템에 위치될 수 있다. 이러한 구성에서, 플라즈마(620)와의 상호작용에 의해 생성된 증착 물질(520)은 제3 가스(702c)를 통해 전달된다. 제3 가스(702c)를 통한 증착 물질(520)의 전달은 증착 물질(520)아 제3 가스(702c)와 상호작용하게 할 수 있다. 일부 예에서, 증착 물질(520)의 전부가 플라즈마(620) 및/또는 제3 가스(702c)와 상호작용하는 것은 아니다. 이와 같이, 증착 물질(520)은 적어도 부분적으로 물질 증기(210)를 포함할 수 있다.
증착 물질(510)은 가스(702a, 702b, 702c)와 상호작용하는 물질 증기(210)의 물질을 포함할 수 있다. 유사하게, 증착 물질(510)은 플라즈마(620)와 상호작용하는 물질 증기(210)의 물질을 포함할 수 있다.
도 7의 가스 공급 시스템(701a, 701b, 701c)은 단지 예시임을 이해해야 한다. 다른 증착 시스템은 제1, 제2 및 제3 가스 유입구(701a, 701b, 701c)의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 제1, 제2 및 제3 가스는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
도 8은 증착 시스템(800)의 개략도이다. 도 1 내지 도 7의 대응하는 특징부와 유사한 도 8의 특징부는 동일한 참조 번호로 라벨링된다. 달리 명시되지 않는 한 해당 설명이 적용된다.
증착 시스템(800)은 물질 증기(210)를 생성하도록 구성된 유도 도가니 장치(200)를 포함한다. 유도 도가니 장치(200)는 도가니(201)를 유도 가열하여 도가니(201)에 2개 이상의 열 구역(201a, 201b)을 생성하도록 구성된다. 또한, 증착 시스템(800)은 유도 도가니 장치(200)와 기판 지지부(500) 사이에 플라즈마(620)를 생성하도록 구성된 플라즈마 생성 시스템(700)을 포함한다. 적어도 부분적으로 플라즈마(620)를 통한 물질 증기(210)의 전달은 기판(501) 상의 증착을 위한 증착 물질(5l0)을 생성한다.
유도 도가니 장치는 물질 증기의 높은 생산 속도를 제공할 수 있지만 더 높거나 더 낮은 밀도의 물질 증기의 편재된 영역으로 인해 어려움을 겪을 수 있으며, 이는 기판 상에 증착된 물질의 불균일한 증착을 생성할 수 있다. 기존의 스퍼터(sputter) 증착 공정에서 플라즈마를 사용하면 물질 증기를 균일한 구조로 분해하고 물질 증기에 에너지를 주입하여 반응성 증착을 위한 가스를 제공할 수 있다. 그러나, 스퍼터 증착 공정은 물질 증기의 생성 속도가 낮아 어려움을 겪을 수 있다.
본원에 설명된 예에서, 유도 도가니 장치(200)와 플라즈마(620)의 조합은 다양한 개선을 제공할 수 있다. 유도 도가니 장치(200)를 플라즈마(620)와 결합함으로써, 물질 증기의 높은 생성 속도는 균일하거나 균질한 밀도를 갖도록 물질 증기(210)를 수정하는 능력과 결합될 수 있다. 결과적으로, 증착 물질(510)은 높은 비율로 균일한 밀도를 가지며 기판(501) 상의 증착을 위해 생성될 수 있다. 물질 증기(210)의 높은 생성 속도는 전자빔 증착 또는 도가니의 저항 가열에 비해 증착 시스템(800)에 대해 상대적으로 더 낮은 에너지를 사용하여 달성될 수 있다. 이와 같이, 물질 증기(210)를 생성하기 위해 도가니(201) 내의 물질(202)을 증발시키는 데 더 낮은 에너지가 필요하다. 또한, 전자빔 증착 또는 플라즈마 증착과 비교하여, 유도 도가니 장치(200)의 사용은 물질 증기(210)를 생성하기 위해 도가니(201)에서 물질(202)의 증발(또는 기화) 속도를 제어하는 능력으로 인해 증착 물질(510)의 화학량론의 높은 제어가 가능할 수 있다. 물질의 증발 속도를 제어하는 능력은 유도 도가니 장치(200)의 하나 이상의 유도 코일(203)에 인가되는 전력을 제어하는 능력으로부터 기인한다. 또한, 스퍼터 증착과 비교하여 도가니(201)의 형상을 구성함으로써 물질 증기(210)의 크기 및/또는 형상에 대한 더 높은 정도의 제어가 제공될 수 있다. 또한, 물질 증기(210)와 플라즈마(620)의 상호작용은 증착 물질(510)을 생성하기 위해 물질 증기(210)와 관련된 에너지가 유지되거나 증가되게 할 수 있다. 이와 같이, 증착 물질(510)은 고에너지 결정 구조를 갖는 증착 물질을 형성하기에 충분한 에너지로 기판 상에 증착될 수 있다. 고에너지 증착 물질(510)을 생성함으로써, 추가 공정 단계로부터 추가 에너지를 제공할 필요가 사라질 수 있다. 예를 들어, 플라즈마(610)와 물질 증기(210)의 상호작용이 결정질 구조를 생성하는 데 필요한 고에너지 증착 물질(510)을 생성하는 데 필요한 에너지를 제공할 수 있기 때문에 증착 공정에서 어닐링 단계가 필요하지 않을 수 있다.
유도 도가니 장치(200)는 도가니(201) 및 도가니(201) 주위에 배열된 하나 이상의 유도 코일(203)을 더 포함할 수 있다. 도가니(201)의 일부 및 제2 열 구역(205)은 도가니(201)의 적어도 제2 부분에서 생성된다. 제1 열 구역(204)의 제1 온도는 제2 열 구역(205)의 제2 온도와 상이할 수 있다.
하나 이상의 유도 코일(203)은 도가니의 제1 부분 주위에 배열된 제1 유도 코일 및 도가니의 제2 부분 주위에 배열된 제2 유도 코일을 포함할 수 있다. 제1 유도 코일에는 제1 전력이 인가되고, 제2 유도 코일에는 제2 전력이 인가될 수 있다. 제2 전력은 제1 전력과 상이할 수 있다.
도가니의 제1 부분은 도가니(201)의 베이스와 도가니(201)의 제2 부분 사이에 위치될 수 있다. 하나 이상의 유도 코일(203)에 전력이 인가되면, 제1 열 구역(204)의 제1 온도는 또는 유도 도가니 장치(200)에 의해 가열될 물질의 용융을 위한 제1 온도 임계값을 초과할 수 있다. 추가적으로, 또는 대안적으로, 하나 이상의 유도 코일(203)에 전력을 인가할 때, 제2 열 구역(205)의 제2 온도는 물질 증기(210)를 생성하기 위해 유도 도가니 장치(200)에 의해 가열될 물질을 증발시키기 위한 제2 온도 임계값을 충족하거나 초과한다.
플라즈마 소스(610)는 플라즈마(620)가 도가니(201)에 실질적으로 존재하지 않게끔 유도 도가니 장치(200)와 기판 지지부(500) 사이에 플라즈마(620)를 생성하도록 구성될 수 있다.
가스 공급 시스템(701a, 701b, 701c)은 유도 도가니 장치(200)와 기판 지지부(500) 사이에 적어도 하나의 가스(702a, 702b, 702c)를 제공하도록 구성될 수 있다.
가스 공급 시스템(701a, 701b, 701c)은 플라즈마(620)를 통해 제1 가스(702b)를 제공하기 위한 제1 가스 유입구(701a)를 포함할 수 있다. 가스 공급 시스템(701a, 701b, 701c)은 제2 가스(702b)를 제공하기 위한 제2 가스 유입구(701b)를 더 포함할 수 있다. 가스 공급 시스템(701a, 701b, 701c)은 플라즈마(620)와 기판 지지부(500) 사이에 제3 가스(702c)를 제공하기 위한 제3 가스 유입구(701c)를 더 포함할 수 있다.
가스 공급 시스템(701a, 701b, 701c)은 유도 도가니 장치(200)와 기판 사이에 적어도 하나의 가스(702a, 702b, 702c)(집합적으로 참조 번호 702로 지칭됨)가 제공되는 속도를 제어하도록 추가로 구성될 수 있다. 가스는 질소, 아르곤, 산소, 암모니아, 산화질소 및/또는 헬륨을 포함할 수 있다.
제1 가스(702a), 제2 가스(702b) 및/또는 제3 가스(702c)일 수 있는 가스는 가스 공급 시스템(701a, 701b, 701c)에 의해 주어진 속도로 증착 챔버에 제공될 수 있다. 예를 들어, 가스가 증착 챔버에 제공되는 속도는 가스 공급 시스템(701a, 701b, 701c)에 의해 제어될 수 있다.
일부 예에서, 가스는 제1 증착 물질(510)을 생성하기 위해 제1 시간에 제1 속도로 제공될 수 있다. 제1 증착 물질(510)의 생성은 제1 시간에 가스(702) 및/또는 플라즈마(620)를 통해 물질 증기(210)를 적어도 부분적으로 전달함으로써 수행될 수 있다. 제1 증착 물질(510)은 가스(702)의 제1 속도에 의존하는 특성을 가질 수 있다. 가스(702)가 시스템에 제공되는 속도(예를 들어, 제1 속도)는 제1 증착 물질(510)의 특성을 결정할 수 있다. 예를 들어, 가스(702)가 시스템에 제공되는 속도가 느릴 때, 증착 챔버에 낮은 농도의 가스(702)가 있을 수 있다. 결과적으로, 물질 증기(210)가 가스(702)와 상호작용 및/또는 반응할 가능성이 적을 수 있다. 따라서, 제1 증착 물질(510)(물질 증기(210) 및 가스 702a)의 생성 속도가 낮을 수 있다. 제1 증착 물질(510)은 기판(501) 상에 증착되어 제1 증착 물질의 층(502)을 생성할 수 있다. 결과적으로, 제1 증착 물질의 층(502)은 가스(702)가 시스템에 제공되는 속도에 의존하는 특성을 가질 것이다.
일부 예에서, 가스(702)는 제2 증착 물질(510)을 생성하기 위해 제2 시간에 제2 속도로 제공될 수 있다. 제2 속도는 제1 속도와 상이할 수 있고, 제2 시간은 제1 시간과 상이할 수 있다(예를 들어, 제2 시간이 제1 시간보다 늦음). 제2 증착 물질(510)의 생성은 제2 시간에 가스(702) 및/또는 플라즈마(620)를 통해 물질 증기(210)를 적어도 부분적으로 전달함으로써 수행될 수 있다. 가스(702)가 시스템에 제공되는 속도(예를 들어, 제2 속도)는 제2 증착 물질(510)의 특성을 결정할 수 있다. 예를 들어, 가스가 시스템에 제공되는 속도가 빠를 때(예를 들어, 제1 속도보다 빠름), 증착 챔버에 더 높은 농도의 가스(702)가 존재할 수 있다. 그 결과, 물질 증기(210)가 가스(702)와 상호작용 및/또는 반응할 확률이 더 높을 수 있다. 따라서, 증착 물질(510)의 생성 속도(물질 증기(210) 와 가스(702)의 상호작용으로부터 생성됨)는 더 높을 수 있다(예를 들어, 제1 속도로 생성하는 것보다 더 높을 수 있음).제2 증착 물질(510)은 기판(501) 상에 증착되어 제2 증착 물질의 층(502)을 생성할 수 있다. 결과적으로, 제2 증착 물질의 층(502)은 가스(702)가 시스템에 제공되는 속도에 의존하는 특성을 가질 것이다.
추가적인 경우, 증착된 물질의 특성은 증착 구역(230)에 예를 들어, 제1, 제2 및/또는 제3 유입구(701a, 701b, 701c)에 의해 제공된 적어도 2개의 상이한 가스의 상대적 비율에 의존할 수 있다. 일부 경우에, 증착 시스템은 단지 예일 뿐인 도 8보다 더 많거나 더 적은 가스 유입구를 가질 수 있음을 이해해야 한다.
일부 예에서, 증착 물질(예를 들어, 제1 증착 물질 및/또는 제2 증착 물질)의 층(502)은 그 특성을 판단하기 위해 분석될 수 있다. 예를 들어, 증착 물질의 층(502)은 x-선 회절, x-선 광전자 분광법, 라만 분광법(Raman spectroscopy), 적외선 분광법 및/또는 핵 자기 공명 분광법(nuclear magnetic resonance spectroscopy)과 같은(그러나 이에 제한되지는 않는) 분광 기술에 의해 분석될 수 있다. 증착된 물질의 층(502)에 대한 분광법을 수행하는 것은 층(502)의 특성, 예를 들어 층(502)의 두께 또는 깊이, 층(502)의 균일성 또는 균질성, 결정 구조, 화학적 조성 및/또는 이온 전도도 및 활성화 에너지와 같은 전기적 특성에 대한 분광 데이터를 제공할 수 있다. 분광 데이터는 수동 개입의 필요 없이 층(502)의 하나 이상의 특성을 자동으로 유지하기 위해 피드백 루프의 일부로서 사용될 수 있다.
예를 들어, 제1 증착 물질의 층(502)에 대한 분광 데이터의 분석 후, 증착 시스템의 파라미터(예를 들어, 물질 증기의 생성 속도, 하나 이상의 유도 코일에 인가된 전력, 플라즈마 밀도 및 /또는 증착 시스템에 제공되는 가스의 속도)는 제1 증착 물질의 층(502)의 특성을 수정하기 위해 수정될 수 있다. 수정 후에, 제2 증착 물질이 기판 상에 증착되어 제2 증착 물질의 층(502)을 생성한다. 그 결과, 제2 증착 물질의 층(502)의 특성은 제1 증착 물질의 층(502)의 특성과 상이할 수 있다. 예를 들어, 증착 시스템의 파라미터는 증착 공정이 수행되고 증착 시스템의 물질(예: 도가니(201)의 물질(202), 증착 챔버의 가스(702) 등)이 변화함에 따라 증착된 물질의 층(502)의 실질적으로 일정하거나 일관된 특성을 유지하기 위해 수정될 수 있다.
증착 물질의 특성(예: 물질적 특성, 전기적 특성 및/또는 화학적 특성)은 물질 증기의 생성 속도를 제어하여 제어할 수 있다. 예를 들어, 기판 상에 증착된 증착 물질의 두께 및/또는 밀도는 물질 증기가 더 높은 속도로 생성될 때 더 높을 수 있다. 일부 예에서, 유도 도가니에서 하나 이상의 열 구역의 온도를 증가시키면 물질 증기의 생성 속도가 증가할 수 있다.
일부 예에서, 하나 이상의 유도 코일(203)에 인가된 전력은 제1 및/또는 제2 열 구역(204)에 대한 온도 센서에 의한 온도 측정에 적어도 부분적으로 기초하는 피드백 루프에 의해 제어될 수 있다. 그 결과, 제1 및/또는 제2 열 구역(204, 205)의 온도가 자동으로 제어될 수 있다. 이와 같이, 제2 열 구역(205)에서 실질적으로 일정한 물질 증기(210), 또는 기존 시스템보다 더 적은 증기 플럭스 변화를 갖는 물질 증기(210)가 달성될 수 있다. 그 결과, 층(502)의 하나 이상의 특성(예를 들어, 층(502)의 두께 또는 밀도, 층(502)의 균일성 또는 균질성 및/또는 화학적 조성)이 자동으로 제어될 수 있다.
증착 물질의 특성(예를 들어, 물질적 특성, 전기적 특성 및/또는 화학적 특성)은 플라즈마의 밀도를 제어함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 기판 상에 증착되는 증착 물질의 균일성 또는 균질성은 플라즈마의 밀도를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 일부 예에서, 고밀도 플라즈마의 생성은 균일하거나 균질한 증착 물질을 생성하기 위해 물질 증기가 플라즈마와 상호작용하고 반응할 확률을 증가시킨다.
일부 예에서, 플라즈마(620)의 밀도(예를 들어, 플라즈마 소스(610)에 의해 제어됨)는 증착된 물질의 층(502)에 대한 분광 데이터에 적어도 부분적으로 기초하는 피드백 루프에 의해 제어될 수 있다. 그 결과, 층(502)의 하나 이상의 특성(예를 들어, 층(502)의 두께 또는 밀도 및/또는 층(502)의 균일성 또는 균질성)이 자동으로 제어될 수 있다.
증착 물질의 특성(예를 들어, 물질적 특성, 전기적 특성 및/또는 화학적 특성)은 증착 시스템에 제공되는 가스의 속도를 제어함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 증착 물질의 생성 속도는 물질 증기가 증착 시스템에서 (증착 물질을 생성하기 위해) 가스와 상호작용할 더 큰 확률을 갖도록 더 높은 가스 속도를 제공함으로써 증가될 수 있다.
일부 예에서, 가스(702)가 시스템에 제공되는 속도(예를 들어, 가스 공급 시스템(701a, 701b, 701c)에 의해 제어됨)는 증착된 물질의 층(502)에 대한 분광 데이터에 적어도 부분적으로 기초하는 피드백 루프에 의해 제어될 수 있다. 그 결과, 층(502)의 하나 이상의 특성(예를 들어, 결정 구조 및/또는 화학적 조성)이 자동으로 제어될 수 있다.
기판 상에 증착 물질을 증착하는 단계는 증착 물질을 기판 상에 실질적으로 균질하게 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 기판 상의 물질의 증착은 기판 상의 증착이 대략적으로 균질할 때 실질적으로 균질한 것으로 간주될 수 있다. 기판 상의 증착은 기판 상의 증착된 물질의 두께 또는 깊이가 기판 전체에 걸쳐 거의 일정할 때 대략 균질한 것으로 간주될 수 있다. 예를 들어, 기판 상에 증착된 물질의 두께는 측정 허용 오차 내에서 또는 기판 상의 증착된 물질의 두께의 ±1, 5 또는 10퍼센트 이내의 변동으로 대략 일정할 수 있다.
또한, 기판 상에 증착 물질을 증착하는 단계는 기판 상에 결정질 구조를 갖는 증착 물질을 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 증착 공정은 기판 상에 LiPON과 같은 전해질 층을 증착하기 위해 사용될 수 있다. 일부 예에서, 전해질 물질 LiPON은 플라즈마 및/또는 증착 챔버에서 LiPO 물질 증기와 질소 가스의 반응으로부터 생성될 수 있다. 전술된 바와 같이, 질소 가스가 증착 챔버에 제공되는 속도를 제어하는 것은 가스 공급 시스템(701a, 701b, 701c)에 의해 제어될 수 있다. 그 결과, LiPON 증착 물질의 결정 구조의 특성, 예를 들어 LiPON 증착 물질의 생산 속도 또는 LiPON 증착 물질 자체의 구조는 예를 들어 가스 공급 시스템(701a, 701b, 701c)에 의해 제어될 수 있다.
증착 시스템(800)은 플라즈마(620)를 통해 물질 증기(210)를 적어도 부분적으로 전달하도록 구성될 수 있다. 또한, 증착 시스템(800)은 증착 물질(510)을 생성하기 위해 적어도 하나의 가스(702) 및/또는 플라즈마(620)와 물질 증기(210)의 물질을 상호작용시켜 가스(702)를 통해 적어도 부분적으로 물질 증기(210)를 전달하도록 구성될 수 있다.
증착 시스템(800)은 에너지 저장 장치의 제조에 사용하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 증착 물질(510)은 에너지 저장 장치의 전극층 또는 전해질층을 위한 물질을 포함할 수 있다.
도 9는 기판 상에 증착 물질을 증착하기 위한 방법을 도시하는 흐름도이다. 방법은 위에서 설명된 시스템을 사용하여 구현될 수 있다.
흐름도(900)의 블록(910)에서, 유도 도가니 장치는 2개 이상의 열 구역을 생성해 유도 도가니 장치에 포함된 물질을 가열하여 물질 증기를 생성하도록 유도 가열된다.
흐름도(900)의 블록(920)에서, 유도 도가니 장치와 기판 사이에 플라즈마가 생성된다.
흐름도(900)의 블록(930)에서, 물질 증기는 증착 물질을 생성하기 위해 플라즈마를 통해 적어도 부분적으로 전달된다.
흐름도(900)의 블록(940)에서, 증착 물질이 기판 상에 증착된다.
위의 예들은 예시적인 예로서 이해되어야 한다. 추가적인 예가 예상될 수 있다. 임의의 일 예와 관련하여 설명된 임의의 특징은 단독으로, 또는 설명된 다른 특징과 조합하여 사용될 수 있으며, 또한 임의의 다른 예들 또는 임의의 다른 모든 예들의 조합의 하나 이상의 특징과 조합하여 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 첨부된 청구항의 범위를 벗어나지 않고 위에서 설명하지 않은 균등물 및 변형이 사용될 수도 있다.
Claims (25)
- 증착 시스템으로서,
물질 증기(material vapour)를 제공하도록 구성된 유도 도가니 장치(induction crucible apparatus) - 상기 유도 도가니 장치는 사용 시 도가니를 유도 가열하여 상기 도가니 내에 2개 이상의 열 구역을 생성하도록 구성됨 -;
기판을 지지하도록 구성된 기판 지지부; 및
적어도 부분적으로 플라즈마를 통한 상기 물질 증기의 전달이 상기 기판 상에 증착을 위한 증착 물질을 생성하게끔 상기 유도 도가니 장치와 상기 기판 지지부 사이에 상기 플라즈마를 생성하도록 구성된 플라즈마 소스를 포함하는,
증착 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 유도 도가니 장치는:
상기 도가니; 및
하나 이상의 유도 코일에 전력을 인가하면 상기 도가니의 적어도 제1 부분에 제1 열 구역이 생성되고 상기 도가니의 적어도 제2 부분에 제2 열 구역이 생성되도록 상기 도가니 주위에 배열된, 하나 이상의 유도 코일을 포함하며,
상기 제1 열 구역의 제1 온도는 상기 제2 열 구역의 제2 온도와 상이한,
증착 시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 하나 이상의 유도 코일은:
상기 도가니의 상기 제1 부분 주위에 배열된 제1 유도 코일; 및
제1 전력이 상기 제1 유도 코일에 인가되고 상기 제1 전력과 상이한 제2 전력이 제2 유도 코일에 인가되도록 상기 도가니의 상기 제2 부분 주위에 배열된 제2 유도 코일을 포함하는,
증착 시스템. - 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 도가니의 상기 제1 부분은 상기 도가니의 베이스와 상기 도가니의 상기 제2 부분 사이에 위치하고, 상기 하나 이상의 유도 코일에 전력이 인가되면:
상기 제1 열 구역의 상기 제1 온도가 사용 시 상기 유도 도가니 장치에 의해 가열될 물질의 용융을 위한 제1 온도 임계값을 충족 또는 초과하는 것; 또는
상기 제2 열 구역의 상기 제2 온도가 사용 시 상기 유도 도가니 장치에 의해 가열될 물질의 증발을 위한 제2 온도 임계값을 충족 또는 초과하여 상기 물질 증기를 생성하는 것 중 적어도 하나가 수행되는,
증착 시스템. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플라즈마 소스는 상기 플라즈마가 상기 도가니에 실질적으로 존재하지 않게끔 상기 유도 도가니 장치와 상기 기판 지지부 사이에 상기 플라즈마를 생성하도록 구성되는,
증착 시스템. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유도 도가니 장치와 상기 기판 지지부 사이에 적어도 하나의 가스를 제공하도록 구성된 가스 공급 시스템을 포함하는,
증착 시스템. - 제 6 항에 있어서,
상기 가스 공급 시스템은:
사용 시 상기 플라즈마를 통해 제1 가스를 제공하기 위한 제1 가스 유입구;
사용 시 상기 플라즈마와 상기 유도 도가니 장치 사이에 제2 가스를 제공하기 위한 제2 가스 유입구; 또는
사용 시 상기 플라즈마와 상기 기판 지지부 사이에 제3 가스를 제공하기 위한 제3 가스 유입구 중 적어도 하나를 포함하는,
증착 시스템. - 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 가스 공급 시스템은 상기 유도 도가니 장치와 상기 기판 지지부 사이에서 상기 적어도 하나의 가스가 제공되는 속도를 제어하도록 구성되는,
증착 시스템. - 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증착 시스템은, 사용 시 상기 물질 증기를 상기 플라즈마를 통해 적어도 부분적으로 및 상기 가스를 통해 적어도 부분적으로 전달하여 상기 물질 증기의 물질을 상기 적어도 하나의 가스 및/또는 상기 플라즈마와 상호작용시켜 상기 증착 물질을 생성하도록 구성되는,
증착 시스템. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증착 시스템은 에너지 저장 장치의 제조에 사용되도록 배치되는,
증착 시스템. - 유도 도가니 장치를 유도 가열하여 2개 이상의 열 구역을 생성해 상기 유도 도가니 장치에 포함된 물질을 가열하여 물질 증기를 생성하는 단계;
상기 유도 도가니 장치와 기판 사이에 플라즈마를 생성하는 단계;
상기 플라즈마를 통해 상기 물질 증기를 적어도 부분적으로 전달하여 증착 물질을 생성하는 단계; 및
기판 상에 상기 증착 물질을 증착하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 유도 도가니 장치를 유도 가열하는 단계는:
상기 유도 도가니 장치의 도가니 주위에 배열된 하나 이상의 유도 코일에 전력을 인가하여 상기 도가니의 제1 부분에 제1 열 구역을 생성하고 상기 도가니의 제2 부분에 제2 열 구역을 생성하는 단계를 포함하고,
상기 제1 열 구역의 제1 온도는 상기 제2 열 구역의 제2 온도와 상이한, 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 도가니의 상기 제1 부분은 상기 도가니의 베이스와 상기 도가니의 상기 제2 부분 사이에 위치하고, 상기 유도 도가니 장치를 유도 가열하는 단계는, 상기 제1 온도 및 상기 제2 온도로 하여금:
상기 도가니의 상기 제1 부분에서 상기 물질의 제1 부분을 용융시키는 것; 및
상기 도가니의 상기 제2 부분에서 상기 물질의 제2 부분을 증발시켜 상기 물질 증기를 생성하는 것 중 적어도 하나를 수행하도록 구성하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유도 도가니 장치에 상기 플라즈마가 실질적으로 존재하지 않는, 방법. - 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유도 도가니 장치와 상기 기판 사이에 적어도 하나의 가스를 제공하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 증착 물질을 생성하는 단계는 상기 적어도 하나의 가스 및/또는 상기 플라즈마와 상호작용하는 상기 물질 증기의 물질을 포함하는, 방법. - 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
상기 물질 증기를 적어도 부분적으로 상기 플라즈마를 통해 그리고 적어도 부분적으로 상기 가스를 통해 전달함으로써, 제1 시간에 제1 속도로 상기 증착 물질을 제1 증착 물질로서 생성하는 가스;
상기 물질 증기를 적어도 부분적으로 상기 플라즈마를 통해 그리고 적어도 부분적으로 상기 가스를 통해 전달함으로써, 상기 제1 속도와 상이한 제2 속도로, 상기 제1 시간과 상이한 제2 시간에, 상기 제1 증착 물질과 상이한 제2 증착 물질을 생성하는 가스 중 적어도 하나의 가스를 제공하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 제1 증착 물질은 상기 제2 증착 물질과 상이한 화학적 조성을 갖는, 방법. - 제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 가스는 질소, 아르곤, 산소, 암모니아, 산화질소 및/또는 헬륨을 포함하는, 방법. - 제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 가스의 가스 제공 속도를 제어하여 상기 기판 상에 증착된 상기 증착 물질의 결정성(crystallinity)을 제어하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 11 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물질 증기의 생성 속도 또는 상기 플라즈마의 밀도 중 적어도 하나를 제어하여 상기 증착 물질의 물질 특성을 제어하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 11 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판 상에 상기 증착 물질을 증착하는 단계는 상기 기판 상에 상기 증착 물질을 실질적으로 균일하게 증착하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 11 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판 상에 상기 증착 물질을 증착하는 단계는 상기 기판 상에 결정질 구조를 갖는 증착 물질을 증착하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 11 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판 상에 증착되는 상기 증착 물질은 에너지 저장 장치의 전극층 또는 전해질층을 위한 물질을 포함하는, 방법. - 제 11 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항의 방법에 따라 제조된,
에너지 저장 장치.
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