KR910002567B1 - 열적으로 조절된 클러스터들용 캐리어 가스 클러스터 원 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

열적으로 조절된 클러스터들용 캐리어 가스 클러스터 원

[도면의 간단한 설명]

제1도는 캐리어 가스 클러스터 비임 용착 장치의 개략도.

제2도는 본 발명에 따른 캐리어 가스 클러스터 원의 측면 단면도.

[발명의 상세한 설명]

[발명의 배경]

본 발명은 얇은 필름들의 용착 (deposition)에 관한 것이며, 특히 클러스터 비임(cluster beam)들용 캐리어 가스 클러스터 원(carrier gas cluster source)들에 관한 것이다.

기층 (substrste)들 상에의 얇은 필름들의 용착은 여러 분야들에 있어서 중요한 제조 및 연구 도구이다. 예컨대, 마이크로일렉트로닉 장치(microelectronic device)들은 조성물의 특수한 전자 특성을 얻기 위하여 기층상에 연속적인 필름 층들을 용착시킴으로써 마련된다. 비디콘(vidicon)들 및 태양전지들과 같은 감광장치들은 기층들 상에 감광 재료들의 필름들을 용착함으로써 제조된다. 렌즈들의 광학적 특성들은 그 표면들 상에 필름들을 용착시킴으로써 개량된다. 물론, 상기와 같은 예들은 얇은 필름 용착 기술들의 많은 응용예들 중 일부에 불과하다.

질이 높은 필름이 요구되는 응용들의 특성을 나타내는 얇은 필름 용착에 대한 고도로 조절된 접근책에 있어서, 필름은 필름의 단일층(monolayer)들의 연속적인 용착에 의해 이루어지며, 각각의 층들은 1원자 두께이다. 용착 공정의 기술은 원자적인 조건들내에서 가장 잘 고려될 수 있다. 일반적으로, 이와 같은 공정에 있어서, 기층의 표면은, 소량의 오염물질들이나 또는 오염물 원자들 조차도 요구된 고도로 완전한 필름의 용착을 방해하기 때문에, 조심스럽게 세척되어야만 한다. 그 다음에 필름의 재료가, 예컨대 증착(vapordeposition), 전자 비임 증발, 스퍼터링 (sputtering), 또는 화학 증착과 같은 다양한 적용들을 위해 개발된 많은 기술들 중 하나에 의해 용착된다.

얇은 필름들을 용착하기 위한 다른 기술에 있어서, 원자들의 이온화된 클러스터들은 클러스터 용착 장치내에서 형성된다. 이와같은 클러스터들은 통상적으로 각각 약 1000 내지 2000 개의 원자들을 가지고 있다. 클러스터들은 이온화된 다음, 클러스터에 클러스터의 이온화 준위의 가속 전압 배수들과 동등한 에너지를 주는 전위에 의해 기층 표적쪽으로 가속된다. 기층의 표면에 도달함에 따라, 충돌시에 클러스터들은 표면상에서 이동하기에 자유로운 원자들로 붕괴된다. 붕괴후에 남아있는 각각의 원자는 비교적 저질량 및 에너지를 가지고 있다. 표면상에 용착된 원자의 에너지는 상기 원자에 표면상에서의 이동성을 주므로, 상기 원자는 표면상에 존재할 수 있는 킹크(kink)들이나 구멍들로 이동할 수 있다. 용착된 원자는 결국 결함들 내에 착좌되어, 결함을 제거하고 또한 필름의 완전성 및 밀도를 증가시킨다. 클러스터들을 사용한 그밖의 다른 접근책들은 개발되었으며, 또한 클러스터 비임들을 사용한 얇은 필름 용착은 유망한 상업적 필름 제조 기술이다.

클러스터들을 발생시키는 클러스터 원(cluster source)은 클러스터 비임 용착 장치의 가장 주요한 부품이다. 클러스터 원은 선택된 크기 범위의 클러스터들의 고 질량 유동을 발생시키며, 또한 높은 클러스터 형성 효율을 나타내야 한다. 즉, 클러스터 비임은 질량의 상당 부분이 원자들로서보다는 클러스터들로서 존재해야하고, 그렇지 않으면, 클러스터들을 사용하는 유익한 효과가 상실될 수 있다. 또한 클러스터 원은 적당한 에너지 상태인 클러스터들을 갖는 클러스터 비임을 제공해야 한다.

클러스터 원의 한가지 형태는 클러스터들로 응축되는 원자들의 흐름이 도가니(crucible)로부터 가스 혼합실 내로 방출되는 캐리어-가스 클러스터 원이다. 가스 혼합실 내에서, 캐리어 가스는 원자들의 흐름과 혼합되어, 원자들을 과포화 상태로 급냉시켜 클러스터들을 형성한다. 클러스터 원으로부터 빠져나온 클러스터들은 진공 내를 통과하고, 이온화되어, 표적을 향해 가속된다.

캐리어-가스 클러스터 원들은, 다른 가장 중요한 형태의 클러스터 원인 표면-성장 클러스터 원들에 비해 2개의 중요한 장점들을 가지고 있다. 캐리어-가스 클러스터 원들은 훨씬 높은 클러스터 형성 효율을 가지고 있으며, 그 결과 클러스터 비임의 질량의 더 많은 부분이 원자들이라기 보다는 클러스터들이다. 둘째로, 캐리어-가스 클러스터 원들은, 내화 금속들과 같이, 극히 높은 용융점을 갖는 재료들의 클러스터 비임들을 형성하는데 사용될 수 있으며, 이는 표면-성장 클러스터 원들을 가지고서는 불가능하다.

그러나, 종래의 캐리어-가스 클러스터 원들을 사용하여 용착된 필름들은 오톨도톨하고 거칠다는 것이 실험적으로 관찰되었다. 결과적으로, 그러한 필름들은 마이크로일렉트로닉 장치들과 같이 필름을 필요로하는 많은 형태의 용도에 유용하지 못하다. 캐리어-가스 클러스터 원들로부터 얻어진 용착된 필름의 질을 증진시키면서, 동시에 그러한 클러스터 원들에 의해 얻어지는 효율 및 다양한 능력에 있어서의 장점들을 보유하는 것이 바람직하다. 본 발명은 이와같은 요구를 충족시키며, 또한 관련된 장점들을 제공한다.

[발명의 요약]

본 발명은 기층상에 양질의 필름들을 용착하도록 조절된 클러스터들을 발생시키는 변경된 캐리어-가스 클러스터 원을 제공한다. 클러스터 원은 형성공정이 실질적으로 변경되지 않을때, 높은 클러스터 형성 효율을 보유한다. 또한 클러스터 원은 고온 재료들의 클러스터들을 발생시킬 수 있다. 변경된 구조는 클러스터용착 시스템과 충분히 양존할 수 있으며, 또한 경제적으로 제작될 수 있다.

본 발명에 따르면, 표적에 클러스터들을 제공하기 위한 캐리어 가스 클러스터 원은, 클러스터 비임을 발생시키기 위한 비임원 장치, 사실상 모든 클러스터들이 액체 상태로 있도록 클러스터 비임을 조절하기 위한 조절장치, 및 조절된 클러스터 비임의 클러스터들을 표적과 충돌하기 전까지 사실상 모든 클러스터들이 액체 상태인 채로 표적까지 전달하기 위한 전달 장치로 구성되고, 상기 비임원 장치는 원자들의 비임을 방출하는 증발 원, 및 캐리어 가스가 캐리어 가스의 유동과 혼합된 원자들의 클러스터들을 갖는 클러스터 비임을 형성하도록 원자들의 비임과 혼합되는 가스 혼합 체적을 포함한다.

적합한 실시예에 있어서, 캐리어 가스 클러스터 원은, 캐리어 가스와 혼합된 클러스터 재료의 클러스터들의 비임이 형성되도록 원자들의 흐름 및 캐리어 가스가 서로 혼합되는 혼합실 및 혼합실 내로 클러스터 재료의 원자들의 흐름을 방출하는 도가니를 포함하는 비임원, 클러스터들의 비임 및 캐리어 가스가 비임원을 떠난 후에 관통해서 통과하는 드리프트 관(drift tube), 드리프트 관을 가열하기 위한 가열기, 및 클러스터들의 비임 및 캐리어 가스가 드리프트 관을 떠난 후에 관통해서 통과하는 노즐로 구성된다.

종래의 캐리어-가스 클러스터 원들에 의해 발생된 클러스터 비임, 및 상기 클러스터 비임들이 표적에 충돌할때 제조된 필름들에 대한 연구들은, 비임 내의 클러스터들의 적어도 일부가 고체 상태에 있다는 것을 지적한다. 여기에 사용된, 고체 상태에 있어서, 물질은 클러스터들로 응축되며, 또한 추가적으로 벌크 고체 재료들의 결정 특성(crystallinity characteristic)을 나타낸다. 분명, 상기와 같은 고체 클러스터들은 표적과 충돌할때, 적절한 방식으로 표면 둘레에 원자들을 산란시키도록 붕괴되지는 않는다. 그 결과, 고체 클러스터는 필름에 오톨도톨한 면 구조를 남긴다. 보다 많은 클러스터들이 용착될때, 여전히 오톨도톨함(graininess)이 남게되어, 결국 저질의 필름이 생기게 된다.

캐리어-가스 클러스터 원내에서의 클러스터들의 형성은 유동하는 가스 흐름이 증기원으로부터 방출된 증기를 급냉시켜서 증기가 가스 흐름내에서 과포화되게 하여 클러스터들을 형성할때 일어난다. 급냉은 신속하게 또한 낮은 가스 온도에서 일어나야만 하고, 그렇지 않으면 클러스터들은 오직 부적당한 작은 크기로만 성장할 것이다. 비교적 저온의 가스에 의한 급냉의 또다른 결과는 클러스터들이 고체들의 결정 특성을 나타낸다는 것이다.

본 발명에 있어서, 클러스터들은 형성후에 액체 상태로 조절된다. 여기에 사용된, "액체 상태"라는 용어는, 벌크 액체 물질로 유추하면, 실질적으로 결정성(crystallinity)이 전혀없는 물질의 응축되는 상태를 말하는 기술용어이다.

클러스터들을 조절하는 한가지 접근책은 그들의 온도를 증가시키는 것이며, 여기에서 온도는 클러스터들이 표적을 향해 이동할때 클러스터들의 규제된 운동 에너지가 아닌, 클러스터내의 원자들의 불규칙 운동 에너지로 반영된다. 이와 같은 증가된 에너지는 저온들에서 결정질로 되려고하는 클러스터들의 성향을 극복한다. 적합한 실시예에 있어서, 클러스터들은 클러스터들을 결정성이 없어지고 클러스터들이 액체 상태로 있는 온도로 가열하도록 충분히 높은 온도로 유지되는 확산 관을 관통한다. 가열은 확산관 내에서 클러스터들과 서로 혼합된 캐리어 가스의 존재에 의해 촉진되는 효과적인 전도 과정에 의해 성취된다.

실제로 모든 클러스터들은 이와같은 액체 상태로 조절되나, 소수의 가장 큰 클러스터들은 결정성이 제거될만큼 충분히 가열되지 않을 수 있다. 이와같은 큰 클러스터들은, 표적에 도달하면, 부적당한 오톨도톨함을 야기시킨다. 그러나, 실제에 있어서 가장 큰 클러스터들은 질량 분리기에 의해 클러스터 비임들로부터 제거되어, 필름의 질에 대한 문제를 제기시키지는 않는다.

클러스터들은 알맞은 비결정 상태로 조절된 후에, 표적과 충돌할때까지 이와같은 상태로 보존되어야만 한다. 이와같은 보존을 성취하기 위한 전달 장치는 캐리어 가스의 대부분을 비임으로부터 분리 및 제거한다. 캐리어 가스가 제거된 채로, 클러스터들은 거의 진공 상태내에서 이동된다. 이와같은 진공 상태에 있어서, 클러스터들로부터의 전도 및 대류 열 손실은 거의 배제된다. 진공 내의 작은 클러스터들로부터의 복사열 손실도 역시 작다. 그 결과, 클러스터들이 순차적으로 이온화기, 질량 분리기, 가속기 및, 만일 있다면, 접속 부품들 등을 통해 진공 내를 통과할때 조절 장치내에서 얻어진 클러스터들의 온도 상태는 여전히 유지된다. 표적에 도달한 클러스터들은 조절 장치 내에서 설정된 온도 및 비결정성인 느슨하게 결합된 상태를 보유한다.

달리 설명하면, 본 발명은 캐리어 가스를 원자들의 흐름과 혼합함으로써 클러스터 비임을 형성하는 단계, 모든 클러스터들이 대체로 액체 상태로 있도록 클러스터 비임내의 클러스터들을 조절하는 단계, 및 조절된 클러스터 비임을 모든 클러스터들이 표적상에 충돌하기 전까지 대체로 액체 상태인 채로 표적까지 전달하는 단계로 구성된, 표적상에 충돌하는 고질의 클러스터 비임을 마련하기 위한 방법으로 구현된다.

본 발명의 클러스터 원은 캐리어-가스 클러스터 원들의 기술에 있어서 중요한 진전을 제공한다. 종래의 캐리어-가스 클러스터 원들의 고 클러스터 형성 효율 및 다양한 능력은 보유되나, 추가로 클러스터들이 비결정성 액체 상태로 조절되므로 용착된 필름은 매끈하고 오톨도톨하지 않으며 또한 결정 클러스터들의 용착으로 인한 그밖의 다른 결합들이 없다. 그러므로 본 발명은 캐리어-가스 클러스터 원들이 다른 클러스터 원들과 경쟁적으로 사용되는 것을 가능케 한다. 본 발명의 그밖의 다른 특징들 및 장점들은 첨부도면들을 참조하여 상세히 기술한 이하의 설명으로부터 명확해질 것이며, 첨부 도면들은 본 발명의 원리들을 예로써 도시한다.

[적합한 실시예의 상세한 설명]

본 발명을 적용하는 시스템의 형태를 도시하기 위하여, 제1도에는 통상적인 클러스터 비임 용착 장치(10)을 도시한다. 용착 장치(10)은 클러스터 비임(14)를 발생하는 클러스터 원(12)를 포함한다. 클러스터 비임(14)는 약간의 클러스터 형성되지 않은 원자(unclustered atom)들 뿐만 아니라, 여러 크기들의 클러스터들로 구성된다. 비임(14)의 클러스터들 및 원자들은 이온화기(16)내에서 이온화되며, 상기 이온화기는 통상적으로 각각의 클러스터 및 원자에 단일 전하(single charge)를 주도록 조절되어 있다. 즉, 2000개의 원자들을 가지고 있는 클러스터는, 단일 원자와 마찬가지로, 오직 단일 전하만을 가지고 있다.

크기들의 범위가 좁은 클러스터들만이 표적(18)에 도달하는 것이 바람직하다. 따라서, 비임(14)는 선택된 크기보다 너무 크거나 작은 클러스터들을 분리하는 질량 분리기(20)을 통과하므로, 대략 적당한 크기의 클러스터들만이 표적(18)에 도달하게 된다. 마지막으로, 클러스터 비임(14)는 가속기 전극(21)들에 의해 에너지를 얻게 되며, 그 다음에 렌즈들 및 편향판(22)들에 의해 집속 및 편향되므로, 클러스터들의 무늬들은 표적(18)의 표면을 횡단하게 나타날 수 있다. 전체 용착 장치는 진공실(24)내에 위치되어 있으며, 상기 진공실은 표적 및 클러스터 비임을 진공상태로 유지한다.

본 발명은 클러스터 원에 실시되며, 개량된 클러스터 원(30)으로서 제 2도에 도시한다. 클러스터 원(30)은 도가니(32)를 포함하며 상기 도가니(32)내에는 클러스터들로부터 표적(18)에 보내질 재료의 공급물(supply) (34)가 위치된다. 이와같은 재료는 금속 또는 비금속 일수 있다. 도가니(32) 및 상기 도가니 내의 재료의 공급물(34)는, 제2도에서는 도가니(32) 둘레의 저하 권선(36)으로 도시한, 임의의 적절한 장치에 의해 가열된다. 도가니는, 공급물(34)의 재료로 된 증기가 빠져나가는 구멍(38)외에는, 폐쇄된 용기이다. 도가니(32)는 도가니(32)의 온도를 유지하고 클러스터 원(30)의 다른 부분들의 가열을 방지하기 위하여 열차단부(40)들로 포위되어 있다.

도가니(32)로부터 증발된 재료의 증기는 구멍(38), 및 열차단부(40)들의 개구부(42)를 통해, 가스 혼합실(44)로 들어가며, 상기 가스 혼합실(44)의 벽들은 대략 주위 온도로 유지된다. 캐리어 가스의 흐름은 가스인입구(46)으로부터 가스 혼합실(44)내로 따로 유입된다. 증발된 증기의 온도는 도가니(32)로부터의 기화에 의해 결정된다. 캐리어 가스 온도는, 증기와 캐리어 가스가 혼합될때 증기 원자들이 급속히 냉각되어 과포화됨으로써 가스 혼합실(44)의 비교적 작은 체적에서 클러스터 형성을 증진시키도록 증발된 증기의 온도 보다 훨씬 낮으며, 통상적으로는 주위 온도이다. 그렇지 않으면, 클러스터들은 훨씬 더 작은 크기들로 성장한다. 이와같은 결과는, 대부분의 경우에 있어서 클러스터당 약 2000개의 원자들로된 클러스터들이 적합하므로, 부적당하다.

클러스터들을 형성하기 위한 증기의 급속 냉각은 클러스터들이 낮은 온도를 갖게한다. 즉, 본 발명을 사용하지 않으면, 클러스터들은 표적(18)상에 충돌할때 쉽게 붕괴되지 않는 결정 또는 부분 결정 구조를 갖는 응축된 질량들을 형성한다.

혼합실(44)내에서, 다양한 크기들의 클러스터들이 증발된 질량의 일부로부터 형성되고, 증발체(evaporant)의 일부는 클러스터 형성되지 않은 원자들로 남아있다. 증발체 원자들, 클러스터들 및 캐리어 가스는 가스 인입구로부터 멀리 진공실(24)의 진공쪽으로 유동하는 혼합된 비임(48)을 형성하도록 서로 혼합된다.

혼합된 비임(48)은 드리프트 관(50)으로 들어가며, 상기 드리프트 관(50)은 저항 가열기(52)에 의해 외부에서 가열되는 중공 원통형 관이다. 혼합된 비임이 드리프트 관(50)을 통과할때, 클러스터들은 사실상 모든 클러스터들이 결정성(crystallinity)이 거의 또는 전혀 없는 액체 상태로 변태되도록 조절된다. 클러스터들에 가열은, 서로 혼합된 캐리어 가스의 매질을 통해, 드리프트 관(50)의 가열된 벽들로부터의 전도 및 대류에 의해 주로 이루어진다.

클러스터들의 액체 또는 무질서 상태를 얻기 위해 필요한 온도는 클러스터를 구성하는 재료의 벌크 용융온도(bulk melting temperature)와 동일하지 않다. 클러스터들은, 그들의 작은 크기로 인해, 통상적으로 벌크 용융 온도보다 훨씬 낮은 온도들로 가열시에 액체가 된다. 예컨대, 약 1000개의 원자들로된 금속 클러스터들은 벌크 용융 온도의 약2/3에서 액체가 되는 것으로 생각된다. 100개의 원자들로된 금속 클러스터들은 벌크 용융온도의 약1/2에서 액체가 되는 것으로 생각된다. 따라서, 클러스터들이 드리프트 관(50)을 관통할때 클러스터들에 의해 도달되어야 하는 요구 온도는 클러스터들의 재료에 따라, 그리고 표적상에 충돌되는 클러스터들의 크기에 따라 좌우된다. 드리프트 관(50)의 최대 온도는 더 높은 온도들이 클러스터들로부터 원자들의 재증발을 야기시킬 수 있으므로, 대략 클러스터들을 액화시키는데 필요한 온도로 적절하게 유지되는 것이 바람직하다.

특정한 조건들을 위해 필요한 드리프트 관 작동 온도는 클러스트들의 결정성이 회절 장치(diffraction meams)에 의한 비행(flight)에 의해 측정되는 일련의 실험들에 의하거나, 또는 드리프트 관의 작동 온도가 점차적으로 증가될때, 용착된 필름의 질을 관측함으로써, 가장 잘 결정된다.

드리프트 관(50)의 길이는 클러스터들을 가열하기 위해 충분히 커야만 하나, 클러스터들이 드리프트 관의 내벽들 상에 소적(droplets)들을 용착시킬 정도로 크지는 않아야 한다. 최소 요구 길이는 드리프트 관(50)의 직경, 클러스터들의 최초온도 및 요구 최종온도, 클러스터들의 성질, 클러스터들의 크기, 캐리어 가스의 특성들, 및 캐리어 가스의 유동율에 따라 좌우된다. 100cm/sec의 유동율을 가지고 있는 아르곤 가스 내에서, 초기온도가 주위온도이고 최종 온도가 1000°K인, 2000개의 원자들로된 은(silver) 클러스터들에 대해 근사 계산들을 행했다. 드리프트 관의 벽에 인접한 클러스터들은 약 0.1cm 내에서 벽 온도에 도달하며, 또한 열의 클러스터들의 잔유물들로의 열확산은 드리프트 관 직경과 거의 같은 거리를 필요로 한다. 그러므로 프래프트 관(50)의 최소 길이는, 클러스터들이 관의의 전체에 걸쳐 평형 벽 온도에 도달하도록, 대략 드리프트 관의 직경 정도가 되게 결정된다.

관의 최대 길이는 클러스터 재료의 소적들의 가열된 벽 상에의 응축으로인해 제한된다. 이와 같은 최대 길이는, 유사한 시스템들 내에서의 클러스터들의 응축의 관측들에 기초하면, 관 직경의 약 5배인 것으로 생각된다.

그러므로, 드리프트 관(50)의 길이는 최적 정상 상태 작업을 위해 드리프트 관의 직경의 약 1 내지 5배이어야만 하는 것으로 믿어진다. 이와같은 설계 매개 변수들은 현재 적합한 접근책 및 실시예를 반영하며, 임계 한도들인 것으로 생각되지는 않는다.

클러스터들은 드리프트 관(50)을 관통하여 알맞은 온도로 조절된 후에, 진공실의 펌핑 능력이 과부하되지 않는 방식으로, 또한 캐리어 가스가 클러스터 비임(14)로부터 타당성있게 가능한 범위까지 분리 및 제거되도록, 진공실(24)의 진공 내로 유입되어야만 한다. 클러스터 가스는 드리프트 관 (50)내에서 조절완료된 클러스터들의 실질적인 냉각을 방지하기 위해 분리되어야 한다. 캐리어 가스의 존재는 열전달을 조장할 것이다. 클러스터 비임으로 부터 캐리어 가스가 제거되면, 클러스터들로부터의 전도 및 대류에 의한 가열된 드리프트 관(50)내의 클러스터들로의 열 전달을 조장하며, 또한 만일 존재한다면, 클러스터 원(30)으로부터 표적(18)로의 비행동안에 메카니즘에 의해 클러스터들로부터의 전도 및 대류에 의한 열손실은 실질적으로 배제된다. 작은 클러스터들로부터의 복사에 의한 열손실이 작으므로, 표적으로의 이동 동안에 클러스터들로부터의 총 열손실은 무시해도 좋을 정도이다.

캐리어 가스는 드리프트 관(50)의 하류에 위치된 노즐(54)를 통해 클러스터 비임을 팽창시킴으로써 클러스터 비임으로부터 분리 및 제거된다. 팽창시에, 무거운 클러스터들의 궤적은 크게 변하지 않으며, 또한 클러스터들은 계속 변하지 않는다. 반면에, 캐리어 가스의 가벼운 원자들이나 분자들의 궤적들은 자유 팽창시에 반경 방향 외측으로 편향된다. 그 결과, 앞서 균일하게 서로 혼합된 클러스터들 및 캐리어 가스는 분포의 중앙에 클러스터들을 우세하게 갖는 반경 방향 분포로 분리된다.

변화된 비임 분포를 가지면, 캐리어 가스의 원자들 및 분자들은 임의의 여러 기술들에 의해 비임으로부터 제거될 수 있다. 적합한 접근책은 비임의 반경 방향 외측 부분들 즉, 캐리어 가스를 편향시키고, 평향된 캐리어 가스를 펌핑 포트(58)로 유도하는 스키머(skimmer) (56)을 마련하는 것이다. 스키머(56)을 마련하는 접근책은 클러스터들로부터 캐리어 가스를 전부 다 제거한다고 생각되지는 않으나, 클러스터들로부터의 순차적인 열손실을 만족스럽게 낮은 수준까지 감소시킬 정도로 충분히 많은 양의 캐리어 가스를 제거하는 데에는 성공적이다.

그 다음에, 클러스터 원(30)으로부터 빠져나온 클러스터 비임(14)는 전술한 방식으로 용착 장치의 나머지 부분을 관통하여 처리된다. 클러스터들의 액체 상태는 이온화기(16), 질량 분리기(20), 가속기(21), 또는 편향 판(22)들의 기능을 변경 또는 저해시키지 않는다.

클러스터 원(30)을 작동시키는데 있어서, 클러스터 가스 유동율은, 도가니(32)로부터 증발된 재료의 질량의 많은 부분이 클러스터로서 운반되도록, 높은 클러스터 형성 효율을 유지하는 작동 매개 변수로 제어되어야만 한다. 드리프트 관(50)으로부터의 열은 가스 혼합실(44)쪽으로 (질량 유동과 반대 방향으로) 상류로 역류해서 확산되는 경향이 있다. 이와같은 열 확산은 증발된 원자들과 캐리어 가스 사이의 혼합 온도를 상승시켜, 클러스터 형성 효율을 감소시킨다. 반면에, 캐리어 가스의 질량 유동은 열을 하류 방향으로 전달되게 한다. 따라서, 최소 정상 상태 작동 가스 유동 속도는 상류 및 하류 열 확산율들을 같게 함으로써 근사적으로 산정될 수 있다. 전술한 작동 매개 변수들에 대하여, 필요한 가스 유동 속도는 약 140cm/sec인 것으로 산정되며, 이는 시스템의 능력들 내에서 적절하다. 만일 캐리어 가스가 낮은 비율로 유동하면, 가스 혼합실(44)를 향해 상류 방향으로의 정미 열 유동이 예상되며, 이는 혼합 온도를 상승시키고 또한 클러스터 형성 효율을 감소시킴으로써 정상 상태 작동을 어렵게 한다.

상류 방향 열 유동의 문제는 클러스터 원을 펄스 방식(pulsed manner) 으로 작동시킴으로써 감소 또는 회피될 수 있다. 혼합실(44)와 드리프트 관(50) 사이에 위치된 임의의 냉각 관(60)과 같은 냉각 장치를 가지고 상류 방향 열 유동에 대해 보호함으로써 클러스터 원을 보다 낮은 캐리어 가스 유동 속도로 계속적으로 작동시킬 수 있다. 냉각 관(60)은, 열을 추출함으로써, 드리프트 관(50)과 반대 방식으로 작용하며, 그렇지 않으면 상기 열은, 가스 흐름으로부터 냉각된 벽들로, 혼합실(44)로 상류로 역류해서 확산될 것이다.

특수한 예에 있어서, 약 40Å 직경은 은 클러스터들의 제조는 은을 도가니(32)내로 위치시킨 다음, 또한 도가니(32)를 중발된 원자들의 흐름을 방출하도록 약 816℃(1500°K)로 가열시킴으로써 성취된다. 주위 온도의 아르곤 가스는 약 0.5Torr의 압력 및 약 150cm/sec의 유동율로 유입되어, 또한 가스 혼합실(44)내의 은 증기와 혼합된다. 드리프트 관은 직경이 0.6cm이며 길이가 2cm이고, 또한 약 443℃(830°K) (용융점의 2/3)로 유지된다. 클러스터 원(30)을 벗어난 클러스터들은 완전히 액체인 것으로 예상된다.

그러므로 본 발명의 개량된 클러스터 원은, 클러스터들을 클러스터들이 액체이며 또한 실질적으로 결정성이 없는 온도로 조절함으로써 캐리어-가스 클러스터 원들을 사용하여 제조된 용착된 필름들의 질을 증진시킨다. 클러스터 원은 높은 클러스터 형성 효율 및 종래의 클러스터 원들의 다양한 능력들을 보유하며, 필름들의 질을 상당히 증진시킨다.

이상 본 발명의 특정한 실시예에 대해 상세히 도시 및 기술하였으나, 본 발명의 진의로부터 벗어남이 없이 다양한 변경들이 제조될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부한 특허청구의 범위내로 제한된다.

Claims (16)

1. 표적에 클러스터들을 제공하기 위한 캐리어 가스 클러스터 원에 있어서, 클러스터 비임을 발생시키기 위한 비임 원 장치, 사실상 모든 클러스터들이 액체 상태로 있도록 클러스터 비임을 조절하기 위한 조절 장치, 및 조절된 클러스터 비임의 클러스터들을 표적과 충돌하기 전까지 사실상 모든 클러스터들이 액체 상태인채로 표적까지 전달하기 위한 전달 장치로 구성되고, 상기 비임 원 장치는 원자들의 비임을 방출하는 증발원, 및 캐리어 가스가 캐리어 가스의 유동과 혼합된 원자들의 클러스터들을 갖는 클러스터 비임을 형성하도록 원자들이 비임과 혼합되는 가스 혼합 체적을 포함하는 것을 특징으로 하는 캐리어 가스 클러스터 원.
2. 제1항에 있어서, 상기 조절 장치는 클러스터들의 온도를 조절하기 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐리어 가스 클러스터 원.
3. 제1항에 있어서, 상기 조절 장치는 클러스터 비임이 관통해서 통과하는 드리프트 관을 포함하는 것을 특징으로 하는 캐리어 가스 클러스터 원.
4. 제3항에 있어서, 상기 조절 장치는 상기 드리프트 관을 위한 가열기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐리어 가스 클러스터 원.
5. 제 1항에 있어서, 상기 증발원은 가열기 및 원자들의 비임을 방출하기 위한 구멍을 가지고 있는 도가니인 것을 특징으로 하는 캐리어 가스 클러스터 원.
6. 제1항에 있어서, 상기 전달 장치는 클러스터 비임으로부터 캐리어 가스의 적어도 일부를 제거하기 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐리어 가스 클러스터 원.
7. 제1항에 있어서, 상기 전달 장치는 팽창 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 캐리어 가스 클러스터 원.
8. 제1항에 있어서, 상기 전달 장치는 클러스터 비임으로부터 캐리어 가스의 일부를 제거하기 위한 스키머를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐리어 가스 클러스터 원.
9. 캐리어 가스 클러스터 원에 있어서, 캐리어 가스와 혼합된 클러스터 재료의 클러스터들의 비임이 형성되도록 원자들의 흐름 및 캐리어 가스가 서로 혼합되는 가스 혼합실 및 상기 혼합실 내로 클러스터 재료의 원자들의 흐름을 방출하는 도가니를 포함하는 비임 원, 클러스터들의 비임 및 캐리어 가스가 상기 비임원을 떠난 후에 관통해서 통과하는 드리프트 관, 상기 드리프트 관을 가열하기 위한 가열기 및 클러스터들의 비임 및 캐리어 가스가 상기 드리프트 관을 떠난 후에 관통해서 통과하는 노즐로 구성된 것을 특징으로 하는 캐리어 가스 클러스터 원.
10. 제9항에 있어서, 상기 드리프트 관의 길이는 상기 드리프트 관의 직경의 1 내지 5배인 것을 특징으로 하는 캐리어 가스 클러스터 원.
11. 제9항에 있어서, 클러스터들의 비임 및 캐리어 가스가 상기 드리프트 관으로 들어가기 전에 관통해서 통과하는 냉각관을 더 포함하며, 상기 냉각관은 상기 드리프트 관과 상기 비임 원 사이에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 캐리어 가스 클러스터 원.
12. 표적상에 충돌하는 양질의 클러스터 비임을 제공하는 방법에 있어서, 캐리어 가스를 원자들의 흐름과 혼합함으로써 클러스터 비임을 형성하는 단계, 사실상 모든 클러스터들이 액체 상태로 있도록 클러스터 비임내의 클러스터들을 조절하는 단계, 및 조절된 클러스터 비임을 사실상 모든 클러스터들이 표적상에 충돌하기 전까지 액체 상태인 채로 표적까지 전달하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 클러스터 비임을 제공하는 방법.
13. 제12항에 있어서, 캐리어 가스는 아르곤 가스인 것을 특징으로 하는 클러스터 비임을 제공하는 방법.
14. 제12항에 있어서, 상기 조절 단계는 클러스터들을 클러스터들이 응축된 상태에 있으나 결정성이 없는 온도로 가열 함으로써 성취되는 것을 특징으로 하는 클러스터 비임을 제공하는 방법.
15. 제12항에 있어서, 상기 클러스터들을 조절하는 단계는 클러스터들을 가열하도록 클러스터들을 드리프트 관을 관통하게 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 클러스터 비임을 제공하는 방법.
16. 제12항에 있어서, 상기 전달 단계는 클러스터들로부터 캐리어 가스의 적어도 일부를 분리 및 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 클러스터 비임을 제공하는 방법.

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