KR20060082400A - 플라즈마 발생 시스템 - Google Patents
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Abstract
열 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 장치(316)와, 상기 플라즈마 발생 장치(316)의 외부에 위치하고, 상기 플라즈마 발생 장치(316)로부터 열 플라즈마를 수용하고 그리고 열 플라즈마를 상기 플라즈마 처리실(318) 내에서 팽창시키기 위해 플라즈마 발생 도중에 상기 플라즈마 발생 장치(316)보다 저압으로 유지되는 플라즈마 처리실(318)과, 열 플라즈마를 유도 결합시키는 인덕터 시스템(330, 332, 333)을 포함하는 플라즈마 발생 시스템(300)이 제공된다.
Description
본 발명은 플라즈마 처리에 관한 것으로, 특히 팽창 열 플라즈마의 유도 결합에 관한 것이다.
기판상의 코팅의 부착은 열 플라즈마, 팽창 열 플라즈마(expanding thermal plasma: ETPs) 및 유도 결합 플라즈마(inductive coupling plasma: ICPs) 등의 플라즈마를 사용하여 수행된다. ETPs는 ETP의 상류부에 고압 상태의 열 플라즈마를 형성하고 또 ETPs 소스의 하류부에 열 플라즈마를 공급하는 것에 의해서 발생된다. 하류부는 열 플라즈마 및 반응물 예비 분사를 수용하는 저압실(상류부보다 저압을 가짐)을 포함한다. 저압실의 내측에는, ETP 소스의 하류부와 상류부 사이의 비교적 큰 압력차에 기인하여 열 플라즈마가 팽창한다. 팽창 열 플라즈마 내에 분사된 반응물은, 열 플라즈마와 반응물간의 전하 교환 및 해리 재결합(dissociative recombination) 등의 화학 반응에 의해서 해리된다.
개개의 ETP 소스에 의해 부착된 코팅은 통상적으로 30㎝ 미만의 제한된 폭을 갖는 표면을 덮는다. 따라서, 넓은 영역을 코팅하기 위해서 복수의 ETP 소스가 필요하다. ETP의 에너지 레벨의 분포는 불균일하고, 통상적으로는 가우스 형상이어서, 결과적으로 거의 가우스 플라즈마 밀도 및 가우스 부착 두께 프로파일이 된다. 그러나, 대부분의 적용에서, 특히 단일 표면을 코팅하는데 복수의 소수가 사용되는 경우는, 개개의 ETP 소스에 균일한 두께 프로파일이 요구된다.
게다가, ETP 소스에서, 이온이 중합체 기판 등의 전기적으로 부상한 기판에 충격을 가하는 에너지는 극히 낮고 제어가 불가능하다. ETPs가 낮은 이온 에너지를 갖는 경향은 양호한 점착 및/또는 고밀도를 갖는 코팅의 생성을 방해할 수도 있다.
펌핑 요구를 감소시켜 효율을 향상시키려는 시도가 이루어져왔다. 이러한 시도는 감소된 플라즈마 가스 흐름으로 ETP 작업을 허용하기 위해 ETP 소스의 직렬 판 내의 오리피스의 직경을 감소시키고, 그에 의해 반응물 해리에 필요한 이온 유량을 감소시키며 또 부착 속도를 감소시킨다. 또한, 반응물과 팽창 열 플라즈마의 강한 혼합을 위해 구성된 노즐 분사기를 사용하여 이용을 증가시키려는 시도가 있었다. 그러나, 노즐 분사기는 플라즈마를 실질적으로 제한하여, 불균일성을 유발하는 경향이 있다. 부착물이 가해지는 기판에 독립 바이어스 전압을 인가함으로써 이온 에너지 제어를 증가시키려는 시도도 있었다. 그러나, 이 방법은 중합체 기판 등의 전자 부상 기판을 처리하는 경우에는 제 기능을 못한다.
그럼에도 불구하고, ETPs는 비교적 높은 전하 입자 밀도와, 비교적 낮은 전자 온도를 가지며, 전자 온도와 이온 온도간의 균형을 유지하여, 결과적으로 반도 체 용도 및 전자 장치의 손상의 방지에 바람직한 비교적 낮은 이온 온도 및 충격 에너지를 발생시킨다. ETPs의 낮은 전자 온도가 유리한 것으로 간주되지만, 전자 온도를 상승시키는 불명확한 이점이 존재한다. ETPs는 비교적 낮은 전자 온도에서 발생하는 해리 재결합 반응이 이어지는 전하 교환 반응에 기초한 반응물 해리 경로를 제공하지만, ETP의 Te는 전자 충돌 해리 반응에 기초한 반응물 해리 경로를 제공하기에는 너무 낮다.
각 경로는 특정 화학 종의 생성 능력을 제공하고, 전자 충돌 해리 경로의 부족은 생성될 수 있는 화학 종의 종류를 제한하며, 이것은 코팅 공정에 대한 기여를 제한하고 개개의 ETP 소스의 효율을 감소시킨다. 따라서, 가스 및 에너지 부하의 증가와, 넓은 면적의 균일성에 필요한 ETP 소스의 수와, 비용을 포함하는 추가의 요구가 펌핑 공정에 제기된다.
다른 한편, ICPs는 저압실에 반응물 예비 분사물을 수용하는 저압실을 포함하는 ICP 소스에 의해서 형성되고, 여기서 저압실은 에너지 소스에 연결된 적어도 하나의 코일을 구비한다. 에너지가 적어도 하나의 코일에 인가되면, Te는 증가하고 전자 충돌 해리 경로가 달성된다. 그러나, ETPs와 유사한 ICPs는 통상적으로 넓은 영역에 걸쳐 균일한 부착을 제공하지 않는다. 또, ETPs에 비해서 ICPs 전하 입자의 밀도는 통상적으로 낮으며, 이에 의해 활발한 전자를 갖는 반응물의 해리 반응을 통해 형성된 반응물 단편의 밀도가 제한되고, 그 결과 코팅의 성장 속도가 낮아진다.
높은 전하 입자 밀도를 생성하기 위해서 고전력의 ICPs가 시도되었지만, 고 전력의 빗나간 용량성 전력 결합이 통상적으로 발생되어, 반응기 벽의 스퍼터링을 야기시키고 그에 따라 부착되는 코팅을 오염시킨다. 또한, ICP 플라즈마 생성 기구의 결과로서, 일반적으로 전자 온도가 소정의 에너지 이하로 저하되지 않아, ICP 소스에 의해 달성될 수 있는 플라즈마의 화학적 성질을 제한한다.
따라서, 기판의 표면에 걸쳐 해리된 반응물을 균일하게 분포시켜, 기판에 피막을 형성하는 시스템 및 방법이 필요하다.
또한, 제어 가능한 전자 온도로 고 전자 밀도의 플라즈마를 효율적으로 발생시켜, ICP와 같은 고 Te가 ETP와 같은 전자 밀도와 결합될 수 있고, 결과적으로 전하 교환과 해리 재결합 경로 및 전자 충돌 해리 경로에 기초하여 제어 가능한 플라즈마 화학적 성질을 갖는 높은 성장 속도를 얻는 시스템 및 방법이 필요하다.
플라즈마 발생기 시스템을 사용하여 플라즈마를 발생시키는 방법이 제공된다. 이 방법은, 플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 발생 시스템의 플라즈마 발생 장치에 에너지 및 반응물을 도입하는 단계와, 발생된 플라즈마를 팽창시키고 유도 결합시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 열 플라즈마를 발생하는 플라즈마 발생 장치를 포함하는 플라즈마 발생 시스템이 제공된다. 열 플라즈마는 플라즈마 발생 장치 외부의 플라즈마 처리실에 의해 수용된다. 압력 제어 시스템은 플라즈마 처리실 내부에서 열 플라즈마를 팽창시키기 위해 플라즈마 발생 중에 플라즈마 발생장치 내의 압력보다 플라즈마 처리실 내의 압력을 낮게 유지한다. 유도 시스템은 열 플라즈마를 유도 결합시킨다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 플라즈마 발생장치를 포함하는 플라즈마 발생 시스템이 제공된다. 수납 장치는 발생된 플라즈마를 수납하고 발생된 플라즈마를 팽창시킨다. 유도 결합 장치는 발생된 플라즈마를 유도 결합시키고, 수납 장치 및 유도 결합 장치는 함께 발생된 플라즈마를 유도 결합되고 팽창된 플라즈마로 형성한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 플라즈마 발생기 시스템에 에너지 및 반응물을 도입함으로써 플라즈마를 발생시키는 수단과, 발생된 플라즈마를 팽창시키고 유도 결합시키는 수단을 포함하는 플라즈마 발생기 시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 팽창하는 유도 결합 플라즈마가 제공된다. 플라즈마는, 에너지 및 반응물을 플라즈마 발생을 위한 플라즈마 발생기 시스템의 플라즈마 발생 장치에 도입하는 단계와, 발생된 플라즈마를 팽창시키고 유도 결합하는 단계를 포함하는 방법에 의해서 발생된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 적어도 하나의 표면을 갖는 대상물이 제공된다. 표면은 팽창하는 유도 결합 플라즈마를 사용하여 처리되고, 플라즈마 발생을 위한 플라즈마 발생기 시스템의 플라즈마 발생 장치에 에너지 및 반응물을 도입하는 단계와, 발생된 플라즈마를 팽창시키고 유도 결합하는 단계를 포함하는 방법에 의해서 플라즈마가 발생된다.
도 1은 종래 기술의 ETP 반응기의 개략적 다이아그램,
도 2는 종래 기술의 ICP 반응기의 개략적 다이아그램,
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 소스 시스템의 개략적 다이아그램,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 소스 시스템의 개략적 다이아그램.
유도 결합과 열 플라즈마(ETP) 시스템을 조합하는 것에 의해서 본 발명에 따라 우수한 플라즈마 처리가 달성된다. 조합에 의해서 얻는 결과는 부착 균일성, 전자 및 이온 에너지 제어 및 효율면에서 ETPs 또는 유도 결합 플라즈마(ICPs)에 비해서 우수하다. 도 1에는 종래의 ETP 반응기(10)가 개략적으로 도시되어 있다. ETP 반응기(10)는 상류부(12) 및 하류부(14)를 포함하며, 상류부는 플라즈마 발생기(16)를 포함하고, 하류부(14)는 챔버(18)를 포함한다. 상류부(12)는 스크램(Schram) 등에게 허여된 미국 특허 제 4,871,580 호의 도 2와 유사하다. 기판(20)이 챔버(18) 내에 배치된다.
플라즈마 발생기(16)는 아르곤, 크세논, 헬륨, 기타 희가스(noble gas), 질소 및/또는 수소 가스를 포함하는 가스 등의 반응물을 입구(22)를 통해 수납한다. 예컨대 플라즈마 발생기(16) 내에서 아크 및/또는 방전을 발생시키기 위해, 에너지 소스(21)를 거쳐 플라즈마 발생기에 에너지가 가해진다. 아크 및/또는 방전은 반 응물에 대해 작용하여 플라즈마를 발생시킨다. 열 플라즈마를 발생시키기에 적합한 압력이 플라즈마 발생기(16) 내에 유지된다. 예시적인 플라즈마 발생기에 있어서, 열 플라즈마의 이온 및 전자는 leV의 온도를 가지며, 전하 밀도는 1015㎝-3 이상이다. 플라즈마 발생기(16)는 노즐을 추가로 구비하고, 열 플라즈마가 이 노즐을 통해 플라즈마 발생기(16)에서 유출하여 입구(24)를 통과한 다음 챔버(18)에 유입한다.
챔버(18)는 플라즈마를 팽창 열 플라즈마(50) 내로 팽창시키기 위해 플라즈마 발생기(16)에 유지된 압력보다 낮은 압력으로 유지된다. 챔버(18)에서, ETP(50)는 급속 냉각하여 전자 및 이온이 재결합하기 시작하고, 그 후에 팽창 충격, 즉 팽창 속도는 초음속에서 아음속으로 진행하고, 전자 온도는 0.1 내지 0.3eV로 하강하고, 전하 밀도는 대략 1012cm-3이 된다.
기체, 액체 및/또는 고체로 형성된 재료와 같은 반응물, 예컨대 실란, 메탄, 기타 탄화 수소, 탄화불소, 중수소화 탄소, 중수소화 실란, 알콜, 아크릴레이트, 에폭시, 유기실란, 클로로실란, 플루오로실란, 아미노실란, 유기실리콘, 금속 유기 전구체, 금속 염화물, 금속 불화물, 물, 산소, 수소, 질소, 암모니아, 이산화 탄소, 일산화 탄소 또는 그들의 적절한 화합물이 분사 입구(26)와 같은 포트를 거쳐 챔버(18) 내에 분사되어, 주로 반응물 이온과 시약 이온간의 전하 교환 및 후속 해리 재결합 반응을 통해 전구체 해리가 발생한다. 시약 해리 생성물은 고 표류 속도로 팽창하면서 운반되어, 반응 종의 대류 유량을 발생시키고, 이것은 기판(20)의 표면에 도달하여 기판상의 코팅(34)의 부착을 초래한다.
ETP(50)는 전자 온도가 이온 온도와 거의 동일한 평형 플라즈마이고, 여기서 전자 온도와 이온 온도는 0.1eV 정도로 비교적 낮다. ETP(50)의 낮은 이온 밀도는 두께 및 밀도가 불균일한 가우스 형상의 부착 윤곽을 갖는 기판(20)상의 코팅(34)을 발생시키는 가우스 분포를 갖는다.
도 2는 링 분사기, 샤워헤드 또는 다른 유형의 입구와 같은 포트(206)를 통해서 시약이 도입되는 기판(220)과 함께, 10Torr 등의 저압 상태의 진공 챔버를 포함하는 적어도 하나의 챔버(202)를 구비하는 종래의 ICP 반응기(200)를 도시하고 있다. 아르곤, 헬륨 또는 다른 희가스 등의 반응물 가스가 포트(206) 또는 다른 포트(도시 안됨)를 통해 도입될 수도 있다. 적어도 하나의 코일(204)이 적어도 하나의 챔버(202) 내부에 배치되거나 또는 적어도 하나의 챔버(202) 또는 그것에 연결된 통로 둘레에 고리 형상으로 배치되고, (특히 적어도 하나의 코일이 절연되지 않은 경우)일반적으로 적어도 하나의 코일(204)과 접촉하는 표면의 일부는 유전체 재료로 형성된다.
적어도 하나의 코일이 지면과 전원(도시 안됨) 사이에 접속된다. 전원에 의해 공급되는 에너지는 방전, 즉 플라즈마를 발생시키기 위해 적어도 하나의 코일(204)에 인가된다. 따라서, 챔버(202) 내부에 유도 결합 플라즈마(250)가 발생된다. 반응 종의 유동을 발생시키는 전자 충돌 해리 경로를 통해 전구체의 해리가 발생하고, 반응 종의 유동은 기판(220)의 표면에 도달하여, 기판에 코팅(224)을 부착시킨다.
ICP 플라즈마는 불균형 플라즈마이고, 여기서 Te는 이온 온도보다 상당히 높을 수 있는데, 예컨대 이온 온도는 0.1eV이고 전자 온도는 1eV보다 높다. 적어도 하나의 챔버(202) 내에 환상 형태로 전략적으로 위치서렁된 적어도 하나의 전자 코일(204)에 의해서, 형성된 ICP의 이온 밀도는 편축[축(26)을 따르지 않음] 고 분포를 가지며, 결과적으로 기판(220)상에 편축 고 부착 윤곽을 갖는 코팅(224)을 발생시키고, 코팅(224)은 두께 및 밀도가 불균일하게 된다. 구체적으로는, 코팅(224)의 밀도 및 두께는 중앙축(226) 주위의 환상 영역에서 증가한다.
본 발명에 따른 팽창 열 플라즈마를 발생시키고 발생된 ETP를 유도 결합하도록 구성된 예시적인 ETP-ICP 반응기(300)의 제 1 실시예가 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. ETP-ICP 반응기(300)는 상류부(312) 및 하류부(314)를 포함하며, 상류부(312)는 플라즈마 발생기(316)를 포함하고, 하류부(314)는 챔버(318)를 포함한다. 기판(320)이 챔버(318)와 연통하여 장착되고 그리고 챔버(318) 내부에 장착될 수도 있다. ETP-ICP 반응기(300)는 기판을 처리하기 위한 ETP-ICP 반응기(300) 내에서 처리되는 반응물 및 사약 중 적어도 하나를 수납한다.
도 1에 도시된 ETP 반응기(10)와 유사하게, 플라즈마 발생기(316)는 아르곤, 헬륨, 기타 희 가스, 질소 및/또는 수소 가스 등의 반응물을, 링 분사기, 플래시 증발기, 샤워헤드 또는 다른 종류의 입구와 같은 포트(322)를 통해 수용한다. 에너지 소스(321)를 거쳐 플라즈마 발생기에 에너지가 인가된다. 예컨대, 인가되는 에너지는, 플라즈마 발생기(316) 내부에 아크 및/또는 방전을 발생시키기 위해서, 무선 주파수(RF) 에너지, 마이크로파, 직류 또는 전압, 또는 교류 또는 전압의 형 태일 수도 있다. 인가되는 에너지는 직류 형태 또는 연속 또는 펄스 파형을 가질 수도 있고, 원하는 결과를 얻기 위해 파형의 종류(사인곡선, 정사각형, 삼각형, 사다리꼴 등), 주파수, 듀티 사이클 등의 파형의 파라메터가 선택된다. 아크 및/또는 방전이 반응물에 작용하여 플라즈마를 발생시킨다.
플라즈마 발생기(316) 내에는 열 플라즈마를 생성하기에 적합한 압력이 유지된다. 예컨대, 압력은 거의 대기압으로 또는 100 Torr 이상의 대기압으로 유지될 수도 있다. 예시적인 플라즈마 발생기에 있어서, 열 플라즈마의 이온 및 전자는 1eV의 온도를 가지며, 전하 밀도는 1015cm-3이다. 플라즈마 발생기(316)는 노즐을 추가로 구비하며, 이 노즐을 통해서 열 플라즈마가 플라즈마 발생기(316)에서 유출하여 입구(324)를 통과한 다음 챔버(318)에 유입한다.
ETP-ICP 반응기(300)는 챔버(318)가 유도 결합(IC) 시스템(330)을 구비한다는 점에서 도 1의 ETP 반응기(10)와 다르다. I/C 시스템(330)은 적어도 하나의 전기 코일 등의 전자기력을 발생시키는 장치와, 연속 또는 펄스 파형의 전기 에너지를 공급하는 것에 의해서 상기 장치에 전류를 공급하는 전원을 포함하며, 원하는 결과를 얻기 위해 파형의 종류(사인파, 정사각형, 3각형, 사다리꼴 등), 주파수, 듀티 사이클, 등의 파형의 파라메터가 선택된다.
챔버(318)는 열 플라즈마를 팽창 열 플라즈마로 팽창시키기 위해서 플라즈마 발생기(316) 내에 유지되는 압력보다 낮은 압력으로 유지된다. 제공된 예에 있어서, 챔버(318) 내에 유지되는 압력은 20~200mTorr이고, 팽창은 초음속으로 발생한 다. 챔버(318)에서, ETP는 급속 냉각하고 전자 및 이온은 재결합하기 시작하며, 그 후에 팽창이 격렬하게 발생한다. I/C ETP(350)에서, 전력이 팽창 열 플라즈마로 유도 결합하는 것의 결과, Te는 도 1이 ETP 반응기보다 낮게 하강하고, 그에 따라 0.1 ~0.3eV가 될 것이며, 전하 밀도는 약 1012cm-3 이상이 된다.
기체, 액체 및/또는 고체로 형성된 재료와 같은 시약, 예컨대, 실란, 메탄, 기타 탄화 수소, 탄화불소, 중수소화 탄소, 중수소화 실란, 알콜, 아크릴레이트, 에폭시, 유기실란, 클로로실란, 플루오로실란, 아미노실란, 유기실리콘, 금속 유기 전구체, 금속 염화물, 금속 불화물, 물, 산소, 수소, 질소, 암모니아, 이산화 탄소, 일산화 탄소 또는 그들의 적절한 화합물이 분사 입구(326)와 같은 포트를 거쳐 챔버(318) 내에 분사되어, 주로 반응물 이온과 시약간의 전하 교환 및 후속 해리 재결합 반응을 통해서, 그리고 유도 가열된 전자와 시약간의 전자 충돌 해리 반응을 통해서 전구체 해리가 발생한다.
전자기력을 발생시키는 장치는 챔버(318) 내부에 제공되거나 챔버(318)의 벽 내부에 통합되거나 또는 챔버(318)의 벽의 외부에 제공될 수도 있다. 예컨대, 상기 장치는 유전체 지지부로 지지되거나 챔버(318)의 벽 내부에 통합되거나 또는 챔버(318)의 둘레에 감긴 적어도 하나의 자유 직립 절연 전기 코일을 포함할 수도 있다. 통상적으로, 챔버(318)의 벽의 일부분 또는 적어도 하나의 코일과 접촉하는 다른 표면(특히, 적어도 하나의 코일이 절연되어 있지 않을 경우)은 유전체 재료로 형성된다. 챔버의 벽의 다른 부분들은 유전체 재료 또는 전도성 재료로 형성될 수 도 있다.
적어도 하나의 코일의 일단부는 통상적으로 지면에 접속되고, 타단부는 RF/AC 전원(332) 및 RF/AC 정합 네트워크(333) 등의 전원에 접속된다. 전기 에너지 또는 RF 에너지와 같은 에너지가 적어도 하나의 코일에 인가되어, I/C ETP(350)의 유도 결합 효과를 발생시킨다. 일반적으로, 시동 모드로 작동하는 경우, 열 플라즈마가 챔버(318)에 진입하면 적어도 하나의 코일에 에너지가 인가되고, 그 후에 열 플라즈마가 챔버(318) 내로 흐름에 따라 장치에 에너지가 인가되지만, 다른 에너지 인가 타이밍 스케쥴이 사용될 수도 있다. 인가되는 에너지는 연속 파형 또는 펄스 파형을 가질 수도 있고, 원하는 결과를 얻기 위해 파형의 종류(정현파, 정사각형, 3각형, 사다리꼴 등), 주파수, 듀티 사이클 등의 파형의 파라메터가 선택된다.
유도 결합 효과는 전자 충돌 해리 경로(정규의 ETP에서 발생하는 해리 재결합 반응이 뒤따르는 전하 교환에 부가하여)를 통해서 전구체 해리를 발생시켜, 반응종의 유동을 발생시키고, 플라즈마 내의 전자 중 적어도 일부의 Te는 비교적 고온 Te로 상승한다. 일단 유도 결합에 의해 영향을 받으면, I/C ETP(350)는 불균형 플라즈마가 되고, 이온 온도 및 전자 온도는 서로에 대해 변화될 수도 있다.
따라서, Te는 이온 온도에 의해 완전히 제한되지 않으며, 이온 온도가 상승하지 않는 경우에도 상승할 수 있다. I/C 시스템(330)에 에너지가 인가되면, 전계가 변화하여 전자를 이동시키고 전자의 동력학적 에너지를 증가시키고 Te를 증가시킨다. 무거운 이온은 변화된 전계와 반응하지 않는다. 따라서, 챔버(318) 내의 이온의 에너지 레벨 또는 온도를 변화시키는 일 없이 챔버(318) 내의 전자의 동력학적 에너지 및 온도가 증가한다.
종래의 ETP 반응기에서, 열 플라즈마가 챔버 내에서 급속 냉각하고 팽창에 의거하여 전자가 에너지를 상실하며, 전자 충돌 해리 반응을 실행하지 않는다. 또, 일단 재결합이 시작되면, 전자 및 이온의 적어도 일부분이 상실된다. 도 3에 도시된 장치에서, 추가된 I/C 시스템(330)의 활성화에 의해, 무거운 이온을 가열하는 일 없이 전자가 가열된다. 대략 0.1eV와 동일한 비교적 낮은 Tes와 1eV보다 비교적 높은 Tes를 포함하는 스펙트럼이 발생한다. 통상적으로 발생한 Te 스펙트럼은 다수의 전자, 이온 및 그에 따라 플라즈마를 발생시키기에 매우 유용한 특성을 갖는 0.3eV의 Te를 포함한다.
제 1 및 제 2 세트의 화학 종이 해리 재결합 경로 및 전자 충돌 해리 경로를 거쳐 각각 생성된다. 해리 생성물은 높은 표류 속도로 팽창하면서 운반됨으로써, 반응 종의 대류 유동을 발생시키고, 이것은 기판(320)의 표면에 도달함으로써 기판(320)상의 코팅(334)의 부착을 초래한다.
또한, 열이 증가하면 이온화가 다시 발생하고, 그 결과 ETP 플라즈마에 대해서 이온 밀도가 증가한다. 따라서, Te의 증가는 증가된 이온 밀도에 비례한다. 또, Te가 증가하면, 불균형 화학작용을 실행하고 그리고 저온 기판상에서 고온 화학작용을 실행하는 능력이 제공된다.
증가된 Te에 대한 추가의 이점은, I/C ETP(350)가 "챠일드 법칙(Child's Law)"의 결과로서 접촉하는 기판의 전방에 증가된 외장 전압이 형성되는 것이다. 기판에 충돌하는 이온은 증가된 전압 때문에 이 외장을 횡단하여 가속된다. 따라서, 이온 가속 및 충격 에너지가 증가하고, 이것은 기판(320) 내로의 이온의 증가된 침투 및 주입을 유발하여 기판(320)에 대한 코팅(334)의 증가된 점착을 제공하도록 부착되는 기판(320)과 피박(334) 사이의 혼합된 계면을 형성한다. 다공성 개구가 코팅(334)에 존재하면, 부착됨에 따라, 이온 충돌이 개구를 메워, 보다 고밀도의 코팅을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, I/C 시스템(330)의 적어도 하나의 전기 코일은 적어도 하나의 권선을 갖는 적어도 하나의 코일을 포함하며, 적어도 하나의 권선은 이온 밀도 및 부착 윤곽에 대해 편축의 거의 환상의 바이어스를 가하기 위해 챔버(318) 내부에 실질적으로 환성의 형태로 전략적으로 장착되고, 그 결과 부착 밀도 및 두께에 대해 실질적으로 환상의 바이어스가 발생한다. 적어도 하나의 전기 코일(330)의 전략적 배치는, I/C ETP(350)에 의해 얻는 부착 윤곽의 가우스 분포에 대한 보상을 제공한다.
ETP 플라즈마에 의해 생성되는 코팅에 대한 부착 윤곽(336)[도 1에 도시된 코팅(334)의 부착 윤곽에 대응함] 및 ICP 플라즈마에 의해 생성되는 코팅에 대한 부착 윤곽(338)[도 2에 도시된 코팅(224)의 부착 윤곽에 대응함]이 점선으로 개략적으로 도시되어 있다. 코팅(334)은 I/C 시스템(330)의 편축 고 이온 분포와 조합된 I/C ETP(350)의 가우스 분포 밀도에서 발생하는 조합된 부착 윤곽인 윤곽을 갖는다. 코팅(334)의 조합된 부착 윤곽은 거의 균일하여, 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이 결과적으로 기판(320)상의 코팅(324)의 밀도 및 두께를 거의 균일하게 한다.
부착 균일성을 달성하도록 소망하는 조합된 부착 윤곽을 얻기 위해서 ETP-ICP 반응기(300)의 파라메터가 선택되거나 및/또는 제어될 수도 있다. 샤프켄스 엠(Schaepkens M), 셀레즈네바 에서(Selezneva S), 몰레커 피(Moleker P) 및 이아코반겔로 씨디(Iacovangelo C.D.) 2003년 7/8월 A21(4), J.Vac. Sci. Technol.에 의한 "이중 소스 팽창 열 플라즈마 반응기를 사용한 내마모성 코팅의 고속 부착"에 개시된 파라메타와 같은 예시적인 파라메터는 하류 작동 압력, 플라즈마 소스와 기판 사이의 작동 거리, 팽창 아르곤 플라즈마 비임 내로의 전구체의 유량, ETP 소스에서의 캐소드-애노드의 거리를 포함한다. 다른 파라메터는 I/C 시스템(330)에 인가되는 에너지의 양 및 종류, I/C 시스템(330)의 구성, I/C 시스템(330)의 전략적 배치, 적어도 하나의 코일에 사용되는 코일 및 권선의 수를 포함할 수도 있다. 예컨대, 복수의 권선은 이온 밀도의 변화를 크게 하고, 전자 온도를 높게할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 ETP-ICP 반응기(300)와 거의 동일하지만, 열 플라즈마가 챔버(318)쪽으로 유동함에 따라 I/C 시스템(430)이 입구(424)를 따라, 즉 열 플라즈마의 경로를 따라 열 플라즈마 부근에 위치된 점이 상이하다. I/C 시스템(330)(도시 안됨)이 포함될 수도 있다.
I/C 시스템(430)은 적어도 하나의 코일 및 장치에 전류를 통하게 하는 전원 등의 전자기력을 발생시키는 장치를 포함한다. 도시된 실시예에 있어서, 적어도 하나의 코일이 입구(424)의 외측면 둘레에 감겨 있어서, 플라즈마가 챔버(318)에 진입하기 전에 적어도 하나의 코일을 통과한다. 적어도 하나의 코일(430)은 절연 되고 입구(424) 내붕 위치되고 및/또는 입구(424)의 내벽을 따라 감기는 것과 같이 입구(424) 내부에 추가로 (또는 변형예로) 배치될 수도 있다. 통상적으로, 입구(424)의 벽의 일부분 또는 (특히 적어도 하나의 코일이 절연되지 않은 경우) 적어도 하나의 코일과 접촉하는 다른 표면은 유전체 재료로 형성된다. 입구(424)의 벽의 다른 부분은 유전체 재료 또는 전도성 재료로 형성될 수도 있다.
각 코일의 일 단부는 통상적으로 지면에 접속되고, 타단부는 RF/AC 전원(332) 및 RF/AC 정합 네트워크(333) 등의 전원에 접속된다. 적어도 하나의 코일에 전기 또는 RF 에너지가 인가되어 I/C ETP(350)상에서 유도 결합을 실행한다. I/C 시스템(430)의 다른 구성도 계획된다. 예컨대, 전자기력을 발생시키기 위한 장치가 입구(424) 내부에 통합될 수도 있다.
본 발명에 따른 ETP-ICP 반응기(300, 400)에 의해 발생되는 I/C ETP(350)는, 자동차 산업의 표면 광택, 운송, 건축용 유리 교체, 반도체, 광전지, 광매체, 평판 디스플레이 및 조명 산업을 포함하는 다양한 용도에서 표면상의 박막 부착에 특히 유용하다. ETP-ICP 반응기의 어레이는, 유리, 금속, 규소 및 플라스틱(폴리카보네이트를 포함함)으로 형성된 표면의 넓은 표면적에 기능성 코팅을 균일하게 제공하기 위해 고밀도 플라즈마를 사용하여 균일한 부착 윤곽을 얻는데 사용될 수도 있다. 표면에 부착되는 기능성 코팅의 예는, 내마모성 코팅, 방습 및/또는 산소 차단 코팅, 자외선 차단 코팅, 적외선 반사 코팅 및/또는 다른 투명 광 코팅(예컨대, 400nm 내지 700nm 범위에서 20% 이상의 광전도율을 갖는 코팅)이다.
I/C ETP(350)는 표면을 에칭하고, 거칠게하고, 가열하고 및/또는 세정하기 위해 표면을 처리하는 것을 포함하는 다른 용도에 추가로 사용될 수도 있다. 이러한 용도의 어떤 경우에는, 시약을 팽창 유도 결합 플라즈마 내로 분사할 필요는 없고, 그 대신 이온화된 반응물 가스가 사용될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 제한적이기보다는 설명의 목적을 위한 것이고, 본 발명의 모든 실시예를 나타내려는 것은 아니다. 하기의 청구범위에 실제적으로 그리고 법에서 인정되는 등가물로 개시하는 바와 같이 본 발명의 정신 및 범위에서 벗어나는 일 없이 다양한 변경 및 수정이 가능하다.
유도 결합과 열 플라즈마(ETP) 시스템을 조합하는 것에 의해서 본 발명에 따라 우수한 플라즈마 처리가 달성된다. 조합에 의해서 얻는 결과는 부착 균일성, 전자 및 이온 에너지 제어 및 효율면에서 ETPs 또는 유도 결합 플라즈마(ICPs)에 비해서 우수하다.
Claims (10)
- 플라즈마 발생 시스템(300)에 있어서,열 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 장치(316)와,상기 플라즈마 발생 장치(316)의 외부에 있는 플라즈마 처리실(318)로서, 상기 플라즈마 발생 장치(316)로부터 열 플라즈마를 수용하고 그리고 열 플라즈마를 상기 플라즈마 처리실(318) 내에서 팽창시키기 위해 플라즈마 발생 도중에 상기 플라즈마 발생 장치(316)보다 저압으로 유지되는, 플라즈마 처리실(318)과,열 플라즈마를 유도 결합시키는 인덕터 시스템(330, 332, 333)을 포함하는플라즈마 발생 시스템.
- 제 1 항에 있어서,팽창되고 유도 결합된 플라즈마(350)가 상기 플라즈마 처리실(318) 내의 기판(320)의 표면쪽으로 지향되어 표면을 적어도 하나의 코팅(334)으로 코팅하는플라즈마 발생 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 인덕터 시스템(330, 332, 333)은 열 플라즈마에 근접한 적어도 하나의 전기 코일(330)과, 상기 적어도 하나의 전기 코일(330)에 전류를 통하게 하는 전원(332, 333)을 포함하는플라즈마 발생 시스템.
- 제 3 항에 있어서,상기 적어도 하나의 전기 코일(330)은 기판(320)의 표면상의 적어도 하나의 코팅(334)에 대한 특정한 형상에 대응하는 특정한 부착 윤곽을 생성하기 위한 특정한 형상으로 플라즈마 처리실(318) 내부에 위치되는플라즈마 발생 시스템.
- 제 4 항에 있어서,상기 적어도 하나의 전기 코일(330)의 특정한 형상은 실질적으로 환상 형상인플라즈마 발생 시스템.
- 제 1 항에 있어서,팽창되고 유도 결합된 플라즈마(350)가, 에칭, 거친 가공, 가열, 세정 및 기판에 코팅을 부착하는 것으로 이루어진 처리 그룹으로부터 선택된 처리를 위해 표면을 처리하는데 사용되는플라즈마 발생 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 플라즈마 처리실(318)은 입구(326)를 더 포함하며, 상기 입구는, 전자 충돌 해리 경로 및 해리 재결합 경로를 따라 해리를 위하여 팽창 및 유도 결합된 열 플라즈마(350)와 반응하는 시약을 수용하는플라즈마 발생 시스템.
- 플라즈마 발생 시스템(300)에 있어서,플라즈마를 발생시키는 장치(316)와,발생된 플라즈마를 수납하고 발생된 플라즈마를 팽창시키는 장치(318)와,발생된 플라즈마를 유도 결합하는 장치(330, 332, 333)를 포함하고,상기 수납 장치(318) 및 상기 유도 결합 장치(330, 332, 333)는 발생된 플라즈마를 유도 결합 및 팽창된 플라즈마(350)로 형성하는플라즈마 발생 시스템.
- 제 8 항에 있어서,발생된 플라즈마를 유도 결합하는 상기 장치(330, 332, 333)는 발생된 플라즈마에 근접한 적어도 하나의 전기 코일(330)을 포함하는플라즈마 발생 시스템.
- 제 8 항에 있어서,상기 발생된 플라즈마는 열 플라즈마인플라즈마 발생 시스템.
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