KR930011764B1 - 플라즈마 강화 산화 규소 필름 부착 방법 및 그를 위한 진공 시스템 - Google Patents

플라즈마 강화 산화 규소 필름 부착 방법 및 그를 위한 진공 시스템 Download PDF

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더 비이오우시이 그루우프 인코포레이팃드
래리 아아르 커세트
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Abstract

내용 없음.

Description

플라즈마 강화 산화 규소 필름 부착 방법 및 그를 위한 진공 시스템
제1도는 본 발명의 여러 양상을 이용한 플라즈마 시스템을 설명하는 일반적인 개략도이다.
제2도는 플라즈마 부착실(chamber) 및 그와 연관된 장치의 단면도를 도식적으로 설명하고 있다.
제3a도 및 제3b도는 제2도의 시스템내 균형을 이룬 마그네트론(magnetron)의 사용을 설명하는 도면이다.
제4a도 및 제4b도는 제2도의 시스템내 불균형 마그네트론의 사용을 설명하는 도면이다.
제5도는 전기장이 고주파 발생기에 의해 생성되는 제2도의 시스템에서 마그네트론에의 교호적 연결을 설명하는 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 반응실 13 : 기판
15 : 기체공급원 17, 17´ : 전원
19 : 압력 조절기 21 : 광학 방출 분광계
23 : 광학 섬유 광투과 매체 24 : 석영 창
25 : 시스템 조절기 29 : 부착실
31, 43, 47 : 격지 게이트 밸브 33 : 기계 펌프
35 : 밸브 37, 39 : 확산 펌프
41 : 기계 펌프 45, 49 : 배플(baffle)
55 : 자기 구조 55´, 55˝ : 마그네트론 자기조립체
57, 57´, 57˝ : 음극 59 : 도관
65, 67 : 기체의 분리된 공급원 69 : 액체 물질 공급원
71 : 증발 기구 73, 75 : 흐름 조절기
133, 135 : 자석 139 : 자속
141 : 고주파 발생기 143 : 로드(rod)
145 : 임피던스 정합 회로망(impedance matching network)
본 발명은 산화 규소 기재 필름의 부착 방법, 특히 휘발성 유기 규소 화합물로 부터 산화 규소 기재의 얇은 필름의 플라즈마 강화 부착 방법에 관한 것이다.
플라즈마 중합은 여러 기판성에 필름을 형성하는 공지 기술이다. 예컨데, 산소가 있거나 없는 실란, 아산화 질소 또는 암모니아의 혼합물은 플라즈마 중합되어 산화 실리콘 필름을 형성한다. 그러나, 불쾌한 냄새를 가진 실란은 기도(respiratory track)를 자극시킬 수 있으며, 발화성(pyrophoric) 및 부식성을 갖는다.
실란으로 부터 플라즈마내에서의 유기 규소 필름을 부착시키는 데에 대한 관심이 있어왔다. 샤르마 및 야수다저의 ＂얇은 고형필름＂ 110, (page 174-184(1983))에서는 규소 기재 중합체가 부착된 여러 유기 규소 화합물로 부터 필름의 제조를 연구하고, 산소 기체의 첨가로 마그네트론 글로우 방전(glow discharge)에 의한 테트라 메틸디실록산의 플라즈마 중합을 기술하고 있다. 이렇게 형성된 필름은 유기 규소 출발 물질에 비해 탄소 대 규소 비율이 감소되지만, 여전히 상당량의 탄소를 보유하고 있다. 그러나, 필름의 규소 강화에도 불구하고, 공급 혼합물내 산소의 함입은 빈약한 중합체 부착을 초래한다.
미합중국 특허 제4, 557, 946호 (Sacher 일동, 1985년 12월 10일 발행)에는 기판을 가열시키고 플라즈마 세기를 조절하므로써 기판상에 수분 장벽을 형성하기 위한 유기 규소 화합물로 부터의 플라즈마 중합 피복체의 이용을 공개하고 있다. 미합중국 특허 제4, 599, 678호(Wertheimer 일동, 1986년 7월 8일 발생)에서는 이런 기판들이 50℃를 넘는 온도로 가열될때 얇은 필름 캐퍼시터(capacitor)를 피복시키는, 글로우 방전에서의 유기 규소의 이용에 대해 기술하고 있다.
일반적으로, 유기 규소로 부터 생성된 필름은 전형적으로 비교적 낮은 부착 속도(예컨대 스퍼터링(sputtering)과 비교시)로 형성되어 연해지기 쉽고, 종종 뿌옇게 된다. 상기 미국특허들에서 처럼 기판을 가열시키는 것은 또한 몇몇 기판에 대해서는 불리하다.
플라즈마 강화 부착에서 유기 규소 화합물의 사용으로 인한 또 다른 문제는 중합 조건의 다변성 및 부착하는 동안 조절의 결핍에 있다. 플라즈마 공정을 조절하기 위해 사용된 상용적인 방법은 공정을 조사하고 조절하기 위한 시도로 전력, 압력 및 흐름을 사용하는 것이었다. 그러나, 이런 세가지 변수들은 입력을 나타내는 변수로서, 생성된 얇은 필름을 조절하지는 못한다. 그 결과, 이런 공정의 대규모화는 매우 복잡하다.
본 발명의 목적은 바람람직하게는 이미 선택된 성질을 갖는, 작거나 큰 기판상에 상업적으로 편리한 부착속도에서 경질의 부착성 산화 규소 기재의 얇은 필름을 재생가능하게 부착시키는 데에 있다.
본 발명의 한면에서, 경질의 부착성 산화 규소 기재 필름을 부착시키는 방법은, 적어도 세성분을 갖는 기체 스트림을 제공하고, 플라즈마에 제거가능하게 배치된 기판을 갖는 미리 배기된 실에서 기체 스트림, 또는 그 성분들 중 하나로 부터 유도된 글로우 방전 플라즈마를 만들고, 플라즈마에 배치시 기판상에 산화 규소가 부착되도록 플라즈마로 기체 스트림을 조절가능하게 유동시키는 것으로는 구성된다. 기체 스트림은 휘발성 유기 규소 화합물, 산소, 및 헬륨 또는 아르곤과 같은 불활성 기체를 포함한다.
기체 스트림은 실 외부의 유기 규소를 휘발시키고 계량된 양을 산소 및 불활성 기체와 혼합시킴으로써 플라즈마내로 조절가능하게 유동된다. 불균형 마그네트론은 이온 플럭스(flux)를 증가시키고 필름 부착 속도를 증가시키는 부착작업 동안 기판에 인접한 플라즈마의 일부분을 바람직하게 제한한다.
경질의 보호성 필름, 또는 장벽을 필요로 하는 적용처를 위해 본 발명의 필름은 크거나 작은 여러 기판상에 조절가능하게 부착될 수 있다. 필름의 성질은 특정 적용에 대해 적합하도록 선택적으로 개질될 수 있다.
본 발명은 경질의 부착성(바람직하게는 본질적으로 무기질) 산화 규소 기재 필름을 부착시키는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명에 따라 일반적으로 약 500옹스트롬 내지 1미크론의 두께를 갖는 그러한 필름들이 여러 기판상에 부착되어지며, 1미크론 이상의 두께를 갖는 필름 또한 수득될 수 있어 본 발명의 범주에 속한다.
본 발명에 의해 피복되어질 기판은 원하는 적용에 따라 다르게 선택된다. 예컨대, 식품 또는 음료수를 포장하는데 유용한, 폴리카르보네이트 수지와 같은 각종의 플라스틱은 산소 또는 수분 투과를 막기 위해 본 발명에 따라 피복될 수 있다. 본 발명에 따른 얇은 필름은 기판들이 본 발명의 실행도중 가열되지 않기 때문에 절연 및 부동태화(passivation)를 위해 비소화 갈륨 반도체 상에 부착될 수 있다. 유리 또는 피복 유리는 건축학상 목적을 위한 기판으로서 사용될 수 있으며, 본 발명에 따라 피복(또는 보호피복)될 수 있다. 광학 유리 또는 플라스틱의 규정 렌즈는 마모에 대해 보호되기 위해서 피복될 수 있다. 다른 적용의 보기로서 액정 디스플레이에서의 배향(orienting)층으로서, 광전자 장치의 레이저 광선 가이드(guides)로서, 그리고 활성 탄 또는 다른 기판상의 피복과 같은 여러 의약적 적용에서의 필름의 사용을 들 수 있다.
비록 본 공정에서 출발 물질로서 유기 규소 화합물을 사용한다 할지라도, 바람직한 필름은 결합 분석에 의하여 증명되는 바와 같이 본질적으로 무기질이다. 그러나, 성질상 실리콘인 필름이 이후에서 설명되는 바와 같은 필요에 따라 제조될 수 있다. 본 발명에 따라 부착된 전형적으로 실질상 무기질인 산화 규소 기재 필름은 높은 정도의 가교 결합(포우리에르(Fourier) 변형적 분광분석법, 또는 FTIR에 의해 결정)에 의해 특성화된다.
이 발명의 방법은 적어도 세가지 성분들(휘발화 유기 규소 성분, 산소 성분 및 불활성 기체 성분)을 포함하는 기체 스트림으로 부터 글로우 방전에 의해 미리 배기된 실에서 수행된다. 산소 성분 및 불활성 기체성분과 휘발화 유기 규소 성분과의 혼합은 얇은 필름의 경도 성질을 크게 증가시킨다고 밝혀졌다.
이후에 예시되는 것처럼, 산소와만 혼합된 유기 규소 또는 헬륨 또는 아르곤과 같은 불활성 기체와만 혼합된 유기 규소로 제조된 필름은 ASTM D 3363-74(필름 경도에 대한 표준 시험 방법) 연필시험에 의해 측정될때 단지 2 또는 3의 경도를 갖는다. 이와 대조적으로, 본 발명에 따라 제조된 필름은 이 시험에 의해 약 7 내지 약 9+의 경도를 갖는다. 상기 기재된 수치값은 0-10의 등급을 기준으로 하는데, 여기에서 ASTM D 3363-74에 따라 마모시험시 0은 가장 작은 내인소성(scratch resistance)을 의미하는 반면, 10은 피복물에 어떠한 손상도 입히지 않는 것을 의미한다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 얇은 필름은 산소 또는 불활성 기체와 혼합되어 있는 휘발화 유기 규소 성분으로 부착된 필름에 대해 2또는 3의 인수만큼 더 단단하다.
기체 스트림에 적합한 유기 규소 화합물은 실온정도에서 액체이고, 휘발될때 거의 실온 이상의 비등점을 가지며, 예를들면 메틸실란, 디메틸실란, 트리메틸실란, 디에틸실란, 프로필실란, 페닐실란, 헥사메틸디실란, 1,1,2,2-테트라메틸 디실란, 비스(트리메틸실릴)메탄, 비스(디메틸실릴)메탄, 헥사메틸디실록산, 비닐트리메톡시 실란, 비닐 트리에톡시실란, 에틸메톡시실란, 에틸트리메톡시 실란, 디비닐테트라메틸디실록산, 디비닐헥사메틸트리실록산, 및 트리비닐펜타메틸트리실록산을 포함한다.
바람직한 유기 규소류에는 1,1,3,3-테트라메틸디실록산, 헥사메틸디실록산, 비닐트리메틸실란, 메틸트리메톡시실란, 비닐트리메톡시실란 및 헥사메틸디실라잔이 있다. 이런 바람직한 유기 규소 화합물은 각각, 71℃, 101℃, 55.5℃, 102℃, 123℃, 및 127℃의 끓는점을 갖는다.
휘발화 유기 규소 성분은 실내로 흘려보내기 전에 산소 성분 및 불활성 기체 성분과 혼합되는 것이 바람직하다. 이렇게 혼합된 기체들의 양은 기체 스트림 성분들의 흐름 속도 비율을 적절하게 조절하기 위해 흐름 조절기에 의해 조절된다.
부착시 기체 스트림의 유기 규소 화합물 및 산소는 약 1.2 : 1-약 1 : 1.8의 흐름 속도 비율로 있는 것이 바람직하며, 기체 스트림의 불활성 기체는 헬륨 또는 아르곤인 것이 바람직하며, 헬륨이 더 바람직하다. 불활성 기체가 헬륨 또는 아르곤인 경우, 유기 규소 화합물, 산소 및 불활성 기체의 바람직한 흐름 속도 비율은 유기 규소 화합물 대 산소가 약 1.2 : 1-약 1 : 1.8이고, 유기 규소 화합물 대 불활성 기체가 약 1 : 1.5-1 : 2.3이다.
기체 스트림에서 필요로 하는 유기 규소, 산소 및 불활성 기체에 부가하여, 보다 적은 양(유기 규소에 대해 약 1 : 1보다 크지 않은, 보다 바람직하게는 유기 규소에 대해 약 0.4-0.1 : 1이다)의 하나 또는 그 이상의 부가적인 기체상 화합물이 특정의 원하는 성질을 위해 포함될 수 있다. 예컨대, 프로필렌과 같은 저급 탄화수소의 함입은 부착된 필름의 대부분의 성질(광 투과율은 제외)을 개선하고, 결합분석으로 필름이 성질상 이산화규소임을 규명해준다. 그러나, 메탄 또는 아세틸렌의 사용은 성질상 실리콘인 필름을 생산한다. 기체 스트림에 소량의 기체 질소의 함입은 부착속도를 증가시키고, 유기위의 투과성 및 반사 광학 성질을 개선시키고, N2의 변화하는 양에 따라 굴절율을 변화시킨다. 기체 스트림에 이산화질소의 첨가로 부착 속도를 증가시키고 광학 성질을 개선시키지만, 필름 경도를 감소시키기 쉽다. 특히 바람직한 기체 스트림 조성물은 20-40SCCM 유기규소, 20-40SCCM O2, 40-60SCCM He, 1-10SCCM 프로필렌 및 5-20SCCM N2를 갖는다.
본 발명 방법의 실행시, 글로우 방전 플라즈마가 미리 배기된 실안에서 만들어진다. 이 플라즈마는 하나 또는 그 이상의 기체 스트림 성분들로부터 유도되며, 바람직하게는 기체 스트림 그 자체로부터 유도된다. 원하는 기판은 바람직하게는 제한된 플라즈마에 인접하여 플라즈마내에 배치되고, 기체 스트림은 플라즈마내로 조절가능하게 흐른다. 원하는 필름 두께를 얻기 위해서 충분한 통과수로서 제한된 플라즈마에 인접한 플라즈마의 안과 밖으로 기판이 이동하는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법은 비교적 높은 전력 및 매우 낮은 압력에서 실행되는 것이 바람직하다. 이처럼, 예컨대, 대부분의 필름은 약 1,000와트(40KHz)에서 제조되며, 375와트(13.56MHz), 및 일부는 300와트(직류)에서 필름들이 제조될 수도 있다. 약 100μHg(0.1토르) 이하의 압력이 부착 공정동안 유지되어야만 하며, 필름을 부착하는 동안 실온, 약 43-49μHg의 압력인 것이 바람직하다.
기판은 시스템으로부터 전기적으로 분리되며(플라즈마내에 있을 때 ＂전기적＂ 접촉을 제외하고), 부착공정동안 약 80℃ 이하의 온도에 있다. 즉, 기판은 일부러 가열되지는 않는다.
흐름 조절은 원하는 필름 성질에 대해 선택적이며, 수소(알파)대 불활성 기체 방출선의 비율 및 플라즈마내 전자 온도를 검사하는 것을 포함하는 진단방법에 의한 것이 바람직하다. 본 발명의 방법이 실행 될 수 있는 일반적인 진공 시스템 및 바람직한 진단방법이 이하에서 상술된다.
[일반 시스템]
제1도를 참조하면, 시스템은 플라즈마가 형성되고, 기판(13)과 같은 기판이 그 위에 얇은 필름 물질을 부착시키기 위해 놓여진, 폐쇄 반응실(11)을 포함한다. 기판(13)은 금속, 유리, 몇가지 플라스틱 및 다른 피복된 기판과 같은 진공에 적합한 물질일 수 있다. 하나 또는 그 이상의 기체들은 기체 공급 시스템(15)에 의해 반응실에 공급된다. 전기장은 전원(17)에 의해 생겨나고 압력 조절 시스템(19)에 의해 저압이 유지된다. 광학 방출 분광계(21)는 분광계에 플라즈마의 가시 및 가시 근처(특히 자외선 영역)의 방출을 결합시키는 적합한 방법으로 광학 섬유 광투과 매체(23)를 통해 반응실에 연결된다. 반응실의 측벽내 석영창(24)은 외부의 섬유매체(23)로 플라즈마 방출을 광학적으로 결합시키는데 사용될 수 있다. 컴퓨터 조절 부분을 비롯하여, 일반 시스템 조절기(25)는 시스템으로부터 상황(status) 정보를 받아서 조절된 지령을 시스템에 보내는 방법으로 시스템의 각 다른 부분에 연결된다.
제1도의 시스템내 반응실(11)은 모든 플라즈마-강화 화학적 증기 부착 공정(PECVD) 또는 플라즈마 중합 공정을 수행하기에 적합한 형태일 수 있다. 제1도의 시스템의 특정 부분의 보다 자세한 설명이 제2도에 주어지며, PECVD 또는 플라즈마 중합 공정의 예가 주어진다. 반응실(11)은 격리 게이트 밸브(gate valve)(31)에 의해 로우드 록(load lock) 구간(27) 및 공정구간인 부착실(29)으로 나뉜다. 압력 조절 시스템(19)은 밸브(35)에 의해 로우드 록 실(27)에 연결된 기계 펌프(33)를 포함하고 있다. 압력 조절 시스템은 또한 확산 펌프(37) 및 (39)와 연관된 기계 펌프(41)를 포함하고 있다. 확산 펌프(37)는 격리 게이트 밸브(43) 및 조정가능한 배플(baffle)(45)을 통해 로우드 록 실(27)에 연결된다. 유사하게, 확산 펌프(39)는 격리 게이트 밸브(47) 및 조정가능한 배플(49)을 통해 공정실(29)에 연결된다. 원하는 값으로 내부 압력을 유지시키기 위해 배플(49)이 시스템 조절기(25)에 의해 조절되는 동안, 피복 공정이 수행된다.
피복되는 기판은 폐쇄된 밸브(31)를 갖는 로우드 록 구간(27)안에 먼저 부하된다. 그런다음 기계 펌프(33)는 높은 진공 영역으로의 대부분의 통로의 압력을 감소시켜준다. 그런다음 확산 펌프(37)가 작동되어 압력이 약 5×10-6토르 정도로 더 감소된다. 작동 압력은 PECVD 또는 플라즈마 중합 공정에서 46μHg 정도인 것이 전형적이며, 반응실 안에 공정 기체를 흘려 보내고 배플(49)을 사용하여 확산 펌프(39)의 분출을 막아(throttling)얻어진다. 부하(loading) 및 비부하(unloading) 작업동안, 확산 펌프(39)는 부착실(29)을 작업 압력으로 유지시킨다. 일단 로우드 록 실(27)이 베이스(base) 압력으로 감소되는 경우, 밸브(31)가 열리고 기판(13)은 부착실(29)로 이동된다.
플라즈마가 형성된 영역(51)을 통해 기판(13)이 앞뒤로 움직이는 설비가 제공된다. 이러한 예에서 기술된 시스템은 다수의 롤러(53)로 이루어지며, 바람직하게는 기판을 지지하는, 전기적으로 절연된 0-고리 스페이서(spacers)를 사용하여 알루미늄으로 만들어진다. 롤러 또는 유사한 물질이 모터(나타나지 않음)에 의해 작동되어 조절가능한 속도로 축 주위를 회전하며, 그에 의해 기판(13)이 움직인다. 전형적인 부착 공정은, 기판(13)의 상단에 부착된 얇은 필름이 원하는 균일한 두께를 갖도록 기판(13)을 여러번 플라즈마(51)를 통해 앞뒤로 통과시키는 것이다.
마그네트론은 자기 구조(55) 및 음극(57)으로 형성된, 실(29)안에 배치된다. 전원(17)은 음극(57) 및 부착실(29)의 금속 본체 사이에 연결된 출력을 갖는다. 마그네트론은 적절한 기체가 부착실(29)안에 도입되었을때 그곳에 플라즈마를 생성시키기 위해서 영역(51)내 자기 및 전기장의 적합한 혼합을 형성시킨다. 기판(13)은 전기적으로 분리되어 유지되며 플라즈마 영역(51)을 통해 직접 통과된다.
영역(51)에서 플라즈마를 형성하는 데에 필요한 기체 성분들은 도관(59)에 의해 부착실(29)로 도입된다. 튜브 길이를 따라 다수의 기체 공급 노즐을 갖는 튜브(도시되지 않음)는 도관(59)이 실에 들어가는 위치에서 부착실(29)의 너비(제2도의 지면으로의 방향으로)에 걸쳐 배치된다. 이 기체는 제2도의 점선으로 나타난 바와 같이, 공급 튜브로부터 확산 펌프(39)로 부착실(29)내에서 흐른다. 펌프(39)에 가장 가까운 플라즈마 영역(51)의 측면위로 기체를 도입하는 것이 바람직할 수 있다고 알려졌다. 마그네트론의 양면 상의 한쌍의 배플(61) 및 (63)은 플라즈마 영역(51)으로 기체 흐름을 제한시키는데 또한 도움을 준다.
도관(59)에 연결된 특정 기체 공급 시스템(15)은 물론 얼마나 많은 기체들이 혼합되는가 및 이들의 성질에 따라 좌우된다. 제2도의 예에서, 고압 기체들의 두 분리된 공급원(65) 및 (67)이 이용되며, 다른 공정을 위해서는 보다 작거나 부가적인 이런 기체 공급원이 필요하다. 또한, 이런 특별한 예에서, 증발되는 액체 물질 공급원(69)이 제공된다. 증발 기구(71)(또한 흐름을 조절한다)는 시스템 조절기(25)로 부터 조절 신호(signal)에 따라, 주입 도관(59)으로의 증기의 원하는 흐름을 제공한다. 유사하게, 고압 기체 공급원(65) 및 (67)은 각각, 개별적으로 조절된 흐름 계량기(73) 및 (75)를 통해 전달된다. 플라즈마(51) 및 기판(13)상에 부착된 결과 생성된 필름의 중요한 조절은 주입 도관(59)을 통해 부착실(29)로 흐르는 각 기체 성분의 비율을 조정하는 능력에 의해 제공된다. 흐름 계량기(73) 및 (75)와 증발 기구(71)는 각각 이를 통한 기체의 흐름 속도에 비례하는 전기적 신호를 시스템 조절기(25)에 공급하고, 또한 시스템 조절기(25)로부터의 신호에 반응하여 흐름 속도를 조정하고 조절한다.
[마그네트론 구조]
플라즈마 부착실(29)에서 사용된 마그네트론은 제3a도에 대표적으로 도시한, 통상적 평면 마그네트론 형태일 수 있다. 자석 구조(55)의 단면도는 수직면에서 제공된다. 평면도에서, 제3도의 구조는 지면에 수직하는 방향으로 길게 도시되어 있다.
제3a도의 구조는 균형을 이룬 마그네트론을 나타낸다. 그 자력선(131) 모두는 바깥의 자기 남극중 하나와 중앙의 북극 사이를 이동한다. 잘 알려진 것처럼, 전자 및 이온들은 음극 및 공정실 금속 케이스에 의해 형성된 자장력 및 전기장력의 혼합의 영향아래, 자력선 주위 및 그선에 따라 나선형으로 이동한다. 음극(57)은 일반적으로 티타늄 또는 석영으로 만들어지지만, 제2도의 부착 시스템안에 사용된 보다 높은 압력(즉, 1-5μHg의 스퍼터링 보다 큼) 때문에 스퍼터링이 일어나는 것이 방지된다.
제2도의 시스템에서 대신 사용될 수 있는 불균형 마그네트론이 제4a도에 나타난다. 바깥의 자석(133) 및 (135)는 중간의 연성 철심(137)에 따라 배열된다. 자기 남극만이 음극(57')에 마주하여 배치되고, 북극면은 음극에서 떨어져 배향되어 있다. 이 결과는 자장선의 상당부분이 자기 남극 및 북극 영역 사이에 뻗어있는 매우 긴 경로를 따라간다는 사실이다. 단지 적은 부분의 자력선만이 바깥의 남극면과 중앙의 철심 부분 사이로 직접 뻗어나간다. 이 결과는 제4a도의 선(139)과 같은, 자장선의 형태가 기판(13)으로 향해 있으며, 이들 대부분은 본질적으로 그 표면에 수직이다. 이 결과는 기판(13)의 표면에 대해 플라즈마내 이온 및 전자들에 의한 이로운 충격(bombardment)이다. 이는 경도와 같은, 결과 부착된 필름의 몇가지 성질을 향상시킨다고 알려진 것이다. 또한, 부착 속도는 제3a도의 균형을 이룬 마그네트론 구조보다 제4a도의 불균형 마그네트론 구조에서 훨씬 더 좋아진다고 알려졌다.
균형 및 불균형 마그네트론은 각각, 제3b도 및 제4b도에 의해 지적된 음극에 걸쳐 이들의 상대적 자장강도 분포를 갖는다. 제3b도에서 볼 수 있는 바와 같이, 중심의 자장 강도는 바깥쪽극의 강도의 두배이다. 그러나, 제4b도의 불균형 마그네트론 경우에 있어서, 중앙 장의 강도(field strength)는 바깥의 자극의 각각의 장의 각도에 비해 매우 약하다. 음극에 걸친 장의 강도 분포에서의 이런 차이는 자속 선(139)의 다른 분포를 초래한다.
제3a 및 제4a의 마그네트론 구조는 전원(17)의 저주파 작동에 적합하다. 주파수의 예는 40kHz이다. 그러나, 수 메가헤르쯔의 고주파 범위에서처럼, 훨씬 높은 주파수에서 작동하는 것이 몇가지 장점을 제공할 수 있다. 이런 고주파 시스템은 제5도에 도식적으로 나와 있다. 나그네트론 자기 조립체(55˝)는 상기 균형 또는 불균형 형태일 수 있으며, 불균형 형태가 바람직하다. 이 경우, 음극(57˝)은 비전도성 석영물질로 만들어진다. 고주파 발생기(141)는 로드(rod)(143)에 의해 음극(57˝)에 연결된 출력을 가진다.
음극(57˝)에서의 임피던스 불연속으로부터 초래되는 어떤 반사를 최소화하기 위해서 RF 발생기와 연결로드(143) 사이에 임피던스 정합회로망(impedance matching network)(145)이 연결된다.
예시된 부착실(29)은 30.48cm(12인치)×30.48cm(12인치)×60.96Cm(24인치)의 크기를 갖고, 증발 기구(71)는 대부분의 적용에 적합해야만 하는 이런 치수 규격에 대해 약 700 SCCM의 최대 흐름 속도를 갖는다고 보고 있다. 그러나 증발 기구(71)는 쉽게 확대될 수 있기 때문에 예시된 치수에 제한되지 않는다.
[실험]
이제 기술된 일반 절차에 의해, 에어코 슬라(Airco Solar) 생산품 ILS-1600 리서어치 코우터(research coater)를 사용하여 예시된 모든 부착을 실행하였다. 약 3×10-6토르 보다 크지 않은 베이스(base) 압력으로 실을 배기 시켰다. 로우드 록이 대기로 통기되는 반면 부착실은 고진공하에서 유지시켰다.
그런 다음 로우드 록을 그안에 부하된 기판과 함께 배기시켰다.
그동안, 100℃의 일정한 온도로 가열된 증발기는 그안의 유기규소를 증발시키지만, 이는 기체 입구가 열릴때까지 실로부터 분리되었다.
증발기구(71)을 유기규소의 원하는 흐름 리딩(reading)에 맞추어 설치하였다. 부가적인 성분들의 원하는 기체 흐름을 각 성분들의 흐름 조절기 위에 설정해 놓고, 확산 펌프상의 배풀을 조정하므로써 실내의 압력을 원하는 값으로 맞추었다. 로우드 록 확산 펌프를 닫고 로우드 록 및 실을 분리하는 밸브를 열어주었다.
실내의 압력이 안정된 후에, 전원을 켜서 원하는 값으로 맞추었다.
그리하여, 글로우 방전 플라즈마를 실안에 만들었다. 다시 압력을 필요에 따라 안정화시키고 조절하였다. 원하는 공정 조건(전력, 전류 및 전원의 전압, 실의 압력, 유기 규소 흐름, 및 증발기 압력)이 선택되었다.
적절한 수소(알파) 대 불활성 기체 비율을 얻기 위해 조절 프로그램으로부터의 방출 스펙트럼을 사용하였다. 원하는 수소(알파) 대 불활성 기체 비율을 얻을때까지 실안으로의 유기 규소 흐름을 조정하였다. 그런다음, 기판을 원하는 피복 두께을 얻을때까지 플라즈마 영역을 통해 앞뒤로 이동시키는 한편, 공정 조건의 조사를 계속하고 진단방법에 따라 적절한 조정을 가하였다. 일단 원하는 필름 두께가 수득되면, 시스템을 닫고 피복 기판을 분리제거하였다.
이하에서 하기 약자들을 사용할 것이다 :
EMDSO - 헥사메틸디실록산
TMDSO - 1, 1, 3, 3테트라메틸디실록산
MTNOS - 메틸트리메톡시실란
VTMS - 비닐트리메틸실란
VTMEOS - 비닐트리메톡시실란
SCCM - 분당 표준 ㎤
IPM - 분당 인치
Te - 전자 볼트내 평균 전자 온도
Hα - 657㎚에서의 수소 알파 방출선
%T - 빛의 % 투과율
%Rf - 샘플의 피복면의 % 반사율
%Rg - 샘플이 평유미면의 % 반사율
흐림(haze) 측정은 테버(Taber) 연마기 상의 500g 하중을 갖는 마모성 휘일(wheel) (CS-10F)을 사용하여 필름을 마모시키는 결과로서 흐름에서의 % 변화를 나타낸다.
ASTM D3363-74에 의해 경도값(또는 내인소성)을 결정하는데, 여기에서 0은 스크래칭되었을때 최소 내연소성을 의미하며, 10은 피복물에 어떠한 손상도 입히지 않는 것을 나타낸다.
이하 실시예들과 함께 본 발명을 좀더 상세히 설명한다. 모두 투명 유리 기판상에서 생성된 필름이다.
[실시예 1]
유리 기판상에 얇은 필름을 부착시키기 위해서 네가지 다른 기체 스트림을 사용하였다. 전력은 1000와트, 40kHz이었다. 기판 콘베이어 속도는 4가지 모두에 대해 10IPM이며, 각기판은 플라즈마를 통해 다섯 번 통과시켰다. 조생물(4)은 본 발명에 따른 기체 스트림이다. 하기 표 1은 4가지 기체 스트림 조성물 및 각 조성물로부터 생산된 필름의 내연소성 등급을 설명하고 있다.
[표 1]
Figure kpo00001
[실시예 2]
본 발명에 따른 5가지 다른 기체 스트림을 사용하여 부착속도, 필름 탈반사(dereflection) 및 필름 경도와 같은 성질을 선택하기 위한 본 발명의 방법의 사용을 설명하는 것이다.
5가지 모두에 대한 콘베이어 속도는 10ipm이며, 전력은 1,000 와트, 40kHz이었다. 5가지 모두에 대해 부착 공정 동안 실 압력은 46μHg이었다. 표 Ⅱ는 5가지 다른 조성물 및 다양한 필름 및 공정성질을 설명하고 있다.
[표 2]
Figure kpo00002
표 2의 자료로부터 볼 수 있는 바와 같이, 기체 스트림 조성물(8)은 매우 단단한 필름을 제공하는 반면, 다른 4가지 기체 스트림은 허용 가능한 부착 속도에서 좋은 경도를 갖는 필름을 제공한다.
기체 스트림 조성물(8)로부터의 필름은 37번 통과로 형성되었고, 기체 스트림 조성물(5), (6) 및 (7)로부터의 필름은 7번 통과로, 기체 스트림 조성물(9)의 필름은 5번 통과로 형성되었다. 피복되지 않은 유리가 7.86의 %Rf를 갖기 때문에, 기체 조성물(9)로부터의 필름은 기판의 피복된 면상에서 약간 탈반사적 이었다. 평 유리 면상의 %Rg는 이와 유사하게 약간 탈반사적이었다.
[실시예 3]
4가지 다른 발명의 기체 스트림 조성물을 다른 유기 규소와 함께 사용하였다. 4가지 모두의 부착공정동안 압력은 46μHg이며, 전력은 1,000와트, 40kHz이고 콘베이어 속도는 10ipm이고, 각 기체 스트림 조성물에 대해 5번의 통과가 있었다. 필름 경도 및 두 공정 매개변수가 표 3에 표기되어있다.
[표 3]
Figure kpo00003
표 3의 자료로부터 볼 수 있는 바와 같이, 4가지 모든 다른 유기규소는 본 발명에 따라 가공처리될때 좋은 경도의 필름을 제공하였다. 기체 스트림 조성물(10)은 분당 381Å의 부착속도 및 21% 산소 대기에서 0.0836CC/100in2/일(day)의 산소투과율을 가졌다. 이처럼, 기체 스트림 조성물(10)은 산소에 대해 실질적으로 불투과성인 필름으로 기판을 빠르게 피복시키는데 특히 유용하다. 부가적으로, 테이버 마모기의 100번 회전에 수반시킨후, 기체 스트림 조성물(12)은 ＂흐림(haze)＂에서 단지 1.01%의 증가만을 나타내었다. 이런 우수한 ＂흐림＂ 값은 투명 유리의 흐림값과 비슷한 것으로, 이는 내마모성을 필요로 하는 곳에서의 피복에 특히 적합하다는 사실을 의미한다.
[실시예 4]
표준의, 평면 마그네트론을 한 부착공정에 이용하고, 바람직한 불균형 마그네트론을 다른 것에 이용하는 것을 제외하곤, 동일한 조건하에 본 발명에 따른 두 동일한 기체 스트림 조성물을 제조 및 가공처리하였다. 두 공정에 대한 전력은 1,000와트, 40kHz이고, 콘베이어 속도는 각각의 10번의 통과에 대해 10ipm이고, 압력은 부착하는 동안 46μHg이었고, 부착된 필름 둘다 7의 경도 등급을 가졌다. 두 공정사이의 차이는 바람직한 불균형 마그네트론이 평면 마그네트론 보다 약 15% 더 큰 부착 속도를 갖는다는 것이었다.
불균형 마그네트론의 사용에 의해 생성된 필름은 ＂흐림＂값을 측정시 더 단단한 것으로 밝혀졌다. FTIR분석은 더 높은 정도의 가교 결합을 보여주었다. 기체 스트림 조성물 및 이들의 흐름 속도는 실시예 2의 조성물(8)에 설명한 바와 같다.
[실시예 5]
다음 표 4에서와 같이, 3가지 유사한 기체 스트림을 다른 전력 및/또는 주파수 조건으로 가공처리 시켰다.
[표 4]
Figure kpo00004
기체 스트림 조성물(14) 및 (15)의 필름 경도는 둘다 7이고, 기체 스트림 조성물(16)의 필름 경도는 6-이었다. 이처럼, 기체 스트림(15)의 고주파 가공처리는 매우 좋은 부착속도에서 우수한 비투과성을 제공하였다. 기체 스트림 조성물(16)에 대한 부착 속도는 현저하지만, 피복되지 않은 유리와 비교시, 감소된 광투과율(87의 %T), 증가된 반사율을 가졌다. 기체 스트림 조성물(14) 및 (15) 둘다 피복되지 않는 유리와 유사한 광 투과율을 갖는 필름을 제공하였다.
[실시예 6]
공정에 대한 압력의 효과를 예증하기 위해, 한 조성물에 대해 각각 97, 45 또는 26μHg로 압력을 유지시켰다. 이 조성물에 대한 부착 속도 (3가지 다른 압력에서)가 표 5에 나와있다.
[표 5]
Figure kpo00005
표 5의 자료로부터 볼 수 있는 바와 같이, 부착 속도는 압력이 감소함에 따라 향상되었다. 26μHg에서 필름의 경도 값은 9+인 반면, 97μHg에서 필름의 경도 값은 9이었다. 그러나, 바람직한 압력 범위는 FTIR이 보다 놓은 가교 결합을 나타내기 때문에 약 43-약 49μHg이다.
비록 상기 실시예들은 투명한 1/8인치(0.3175cm) 두께의 유리, 여러가지 플라스틱, 금속 및 결정질 규소 및 KBr과 같은 무기물질 상에서의 필름을 설명하고 있으나 본 발명은 더 널리 적용할 수 있다.

Claims (26)

1, 1, 3, 3-테트라메틸디실록산, 헥사메틸디실록산, 비닐 트리메틸실란, 메틸트리 메톡시 실란, 비닐 트리메톡시 실란 및 핵사 메틸디실라잔로부터 선택된 휘발된 유기 규소 화합물 ; 산소 ; 및 헬륨 또는 아르곤의 불활성 기체로 이루어진 기체 스트림을, 플라즈마 내로 흐르는 기체 스트림이 조정 가능하게 조절된 양인 1.2 : 1-1 : 1.8 범위의 유기 규소 화합물 대 산소의 비율 및 1 : 1.5-1 : 2.3 범위의 상기 유기 규소 화합물 대 상기 불활성 기체의 비율이 되도록 제공하고; 플라즈마에서 제거 가능하게 배치될 수 있는 기판을 포함하는 미리 배기된 실내 스트림으로부터 유도된 글로우 방전 플라즈마를 만들고 ; 플라즈마안에 배치될 때 기판상에 산화 규소를 부착시키기 위해서 플라즈마내로 기체 스트림을 흘려 보내는 것으로 구성되고, 이때 부착된 산화 규소가 기체 스트림의 반응 생성물이며, 부착하는 동안 실이 43-49Hg의 압력에서 유지되는 부착성 산화 규소 기재 필름을 부착시키는 방법.
제1항에 있어서, 기판에 이온 플럭스를 증가시키기 위해 부착하는 동안 기판에 인접한 플라즈마의 일부분이상을 자기적으로 제한하는 것이 포함된 방법.
제1항에 있어서, 불활성 기체나 헬륨인 방법.
제1항에 있어서, 부착된 산화 규소가 본질적으로 무기물인 방법.
제1항에 있어서, 불활성 기체가 헬륨이고, 기체 스트림이 프로필렌을 포함하고 있으며, 부착된 산화 규소가 탄소 부분을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 기체 스트림이 질소 또는 아산화 질소를 포함하고, 부착된 산화 규소가 질소 부분을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 부착시키는 동안 기판이 플라즈마 안팎으로 이동되는 방법.
1, 1, 3, 3-테트라메틸디실록산, 헥사메틸디실록산, 비닐트리메틸실란, 메틸 트리메톡시실란, 비닐트리메톡시실란 및 헥사 메틸디실라잔으로부터 선택된 유기 규소 성분을 증발시키고, 휘발된 유기 규소 성분을 산소 성분 및 헬륨 또는 아르곤의 불활성 기체성분과 혼합시켜 실외부에 유기 규소 성분 및 산소가 약 1.2 : 1-1 : 1.8의 기체 흐름 비율로 있고, 유기 규소 성분 및 상기 불활성 기체가 약 1 : 1.5-1 : 2.3의 기체 흐름 비율로 있는 기체 스트림을 형성하고; 하나 또는 그이상의 기체 스트림 성분으로부터 상기 실안에 글로우 방전 플라즈마를 만들고; 플라즈마의 적어도 일부분을 제한하면서 플라즈마내 기체 스트림을 조절가능하게 흘려보내고; 제한된 플라즈마에 인접한 플라즈마 안팎으로 기판을 이동시키는 것을 포함하는, 글루우 방전에 의해 미리 배기된 실에서 경질의, 본질적으로 무기 산화 규소 기재 필름을 부착시키는 방법.
제8항에 있어서, 불활성 기체 성분이 헬륨인 방법.
제13항에 있어서, 흘려 보내는 동안 실이 20-100μHg의 압력에 있는 방법.
제8항에 있어서, 플라즈마가 불균형 마그네트론에 의해 제한되는 방법.
제11항에 있어서, 진공 펌프가 실과 통하는 유체 안에 있고, 마그네트론으로부터 일정한 거리에 있으며, 기체 스트림이 플라즈마내로 진공 펌프 상류 및 마그네트론 하류로 흐르는 방법.
제8항에 있어서, 기판이 이동하는 동안 80℃ 이하의 온도에 있는 방법.
제8항에 있어서, 제한된 플라즈마와 접촉시키는 것을 제외하곤 기판을 실로부터 전기적으로 분리시키는 방법.
제8항에 있어서, 기판이 유리, 플라스틱, 미네랄 도는 금속이 방법.
휘발된 유기 규소 화합물을 포함하는 기체 스트림을 제공하고; 플라즈마내에 제거가능하게 배치된 기판을 포함하는, 10-6토르로 미리 배기된 실내 기체 스트림으로부터 유도된 글로우 방전 플라즈마를 만들고; 25-100μ Hg의 실내 압력을 만들기 위해서 충분한 기체스트림을 흘려 보내고 플라즈마안에 배치되었을때 기판상에 산화 규소 필름을 부착시키고 그동안 기판에 이온 플럭스를 증가시키기 위해 부착시키는 동안 기판에 인접한 플라즈마의 일부분 이상을 자기적으로 제한하는 것으로 구성된 플라즈마 강화된 얇은 필름 부착 방법.
기판위에 부착되는 원하는 물질의 급원을 포함하는 기체 스트림을 실에 제공하고, 높은 전기 장 강도의 영역에서 상기 스트림의 기체로부터 유도된 글로우 방전 플라즈마를 상기 실안에 만들어 놓고, 어떠한 전기적인 연결 없이 상기 플라즈마내에 기판을 제거가능하게 배치하고, 상기 기판으로 향한 충분한 자속(maganetic flux)을 갖는 자기장을 상기 플라즈마내에 발생시키는 단계를 포함하는, 배기된 실안에서 플라즈마 공정에 의해 기판상에 얇은 필름을 부착시키는 방법.
제17항에 있어서, 자기력을 발생시키는 단계가 상기 실안에 불균형 마그네트론을 배치하는 것을 포함하는 방법.
제17항에 있어서, 본질적으로 43-49μHg 범위의 압력으로 실을 배기시키는 단계를 포함하는 방법.
제17항에 있어서, 자속을 발생시키는 단계가 상기 실안에 두자기극 쌍을 배치시키는 것을 포함하고, 각 쌍의 첫 번째 자기극이 상기 플라즈마를 향해 배향되고, 각 쌍의 두번째 자기극이 상기 플라즈마로부터 떨어진 면을 향해 배향되는 방법.
제17항에 있어서, 자속을 발생시키는 단계가, 또 다른 극성의 보다 작은 자기 강도에 의해 분리된 한극성의 최대 자기 강도로부터 변화하는, 플라즈마에 걸쳐 본질적으로 모든 방향에서의 자속 분포 기능을 특징으로 하는 상기 플라즈마에 인접한 표면을 갖는 자기 구조를 상기 실안에 배치하는 것을 포함하는 방법.
글로우 방전에 의해 미리 배기된 실안에 배치된 기판상에 물질의 얇은 필름을 배치시키는 진공 시스템에 있어서, 주위 온도 이상의 끓는 점을 갖는 액체를 증발시키고, 미리 배기된 실 안으로 증기의 조절된 흐름을 전달시키기에 충분한 구조를 가진 증발기; 실안에 증기로부터 글로우 방전 플라즈마를 만들기 위한 전기적 수단; 실안에 배치된 기판; 및 기판으로 향한 충분한 자속을 갖는 플라즈마안에 자기장을 발생시키기 위한 자기 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 시스템.
제22항에 있어서, 기체 스트림으로 실안에 증기와 함께 하나이상의 부가적인 기체를 도입시키기에 적합한 하나이상의 부가적인 기체공급원이 포함된 것으로, 글로우 방전 플라즈마가 상기 기체 스트림으로부터 형성되는 진공 시스템.
제22항 또는 제23항에 있어서, 자기 수단이 실안에 배치된 불균형 마그네트론을 포함하는 진공 시스템.
제22항 또는 제23항에 있어서, 자기 수단이 실안에 배치된 두 자기 극 쌍을 포함하며, 이때 각 쌍의 첫번째 자기극이 플라즈마를 향해 배향되어 있고 각 쌍의 두번째 자기 극이 플라즈마에서 떨어진 면을 향해 배향되어 있는 진공 시스템.
제22항 또는 제23항에 있어서, 자기 수단이, 또 다른 극성의 보다 작은 자기 강도에 의해 분리된 한극성의 최대 자기 강도로부터 변화하는, 플라즈마에 걸쳐, 본질적으로 모든 방향으로 자속 분포 기능을 특징으로 하는 플라즈마에 인접한 표면을 갖는 실안에 배치된 자기 구조를 포함하는 진공 시스템.
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