KR0137704B1 - 이중 모드 플라즈마 이온 주입 장치 및 이를 사용한 표면 개질 방법 - Google Patents
이중 모드 플라즈마 이온 주입 장치 및 이를 사용한 표면 개질 방법Info
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Abstract
이중 모드의 고전압 펄스를 사용하는 플라즈마 이온 주입 장치와 이 장치를 이용한 물체의 표면개질방법이 제공된다.
Description
제1도는 본 발명에 따른 이중(二重) 모드 플라즈마 이온 주입 장치의 구조도.
제2도는 기존의 플라즈마 이온 주입 장치에서 시료에 가하는 전압 펄스 형태 A와 본 발명에 따른 이중 모드 플라즈마 이온 주입 장치에서 시료에 가하는 전압 펄스 형태 B의 비교도.
제3도는 본 발명에 따른 이중 모드 플라즈마 이온 주입 장치를 사용하여 질소 이온을 주입한 시료의 오제이(Auger) 분석 결과.
제4도는 본 발명에 따른 이중 모드 플라즈마 이온 주입 장치를 사용하여 질소와 탄소 이온을 주입한 후 탄질화 티타늄 코팅층을 형성시킨 시료의 오제이(Auger) 분석 결과.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1:진공조2:안테나
3:전원 장치 및 매칭 네트웍4:시료대
5:시료6:플라즈마
7:자석8:플라즈마 측정장치
9:진공 펌프10:기체 주입 장치
11:고전압 펄스 발생 장치12:코팅원
13:전원 장치14:접지
본 발명은 이중(二重) 모드의 고전압 펄스를 이용하는 플라즈마 이온 주입 장치 및 이를 사용하여 물체의 표면에 이온을 주입하고 그 위에 다시 코팅층을 형성시켜서 물체 표면을 개질시킴으로써 물체의 표면 물성을 향상시키는 방법에 관한 것이다.
물체의 표면은 그 물체의 내구 특성에 직접적인 영향을 미치는 중요한 부분으로 이러한 표면 부분의 물성 향상을 위해 여러가지 표면 개질 방법이 사용되어 왔다. 가장 널리 사용되어 온 표면 개질 방법으로는 코팅을 들 수 있으며, 공구 등의 표면에 질화티타늄을 코팅하는 것이 한 예이다. 그러나, 코팅은 코팅층을 형성할 때 사용되는 원자나 이온의 에너지가 수 eV 내지 수십 eV, 이온 플레이팅 법과 같은 코팅의 경우에는 수 keV 정도로, 모재와 코팅층과의 이질성에 따른 급격한 조성 변화 때문에 코팅층이 벗겨지는 취약성을 안고 있다.
이에 반해, 이온 주입 방법에서는 이온을 수십 내지 수백 keV로 가속시켜 재료의 표면에 입사시킴으로써 재료 표면 이하 수천 Å까지 개질된 층을 형성할 수 있으며, 완만한 조성 변화층을 형성하므로 코팅에서와 같은 재질의 이질성에 따른 코팅의 박리 현상은 근본적으로 발생하지 않게 된다. 이온 주입의 또다른 장점으로는 고에너지 공정이므로 열역학적인 제한을 거의 받지 않으며, 상온 공정이므로 시료의 온도 상승에 따른 크기 변화나 열에 의한 열화 현상이 없으며, 표면 조도 또한 크게 영향받지 않는다는 점을 들 수 있다. 또한, 주입 이온의 종류, 에너지, 양을 조절함으로써 개질층의 종류, 두께, 개질 정도의 조절이 용이한 장점이 있다.
그러나, 이러한 이온 주입 방법의 여러 장점에도 불구하고 내구성 향상을 목적으로 한 이온 주입 기술의 개발은 극히 미미한 편인데, 그 이유는 종래의 이온 주입 장치는 평면 시료인 반도체 웨이퍼에의 불순물 도핑을 목적으로 개발된 장비로, 플라즈마 이온원으로부터 이온을 추출한 후 가속시켜 이온빔의 형태로 시료에 입사시키게 되며, 균일한 이온 주입을 위해서는 이온빔을 흔들어 주어야 한다. 이후 개발된 재료 표면 개질용 이온 주입 장치 역시 동일한 원리를 이용한 것으로, 이온을 이온빔의 형태로 시료에 입사시키는 것이다. 이러한 이온빔 형태로 이온을 주입하는 방법은 견통선(line-of-sight) 주입이라는 원리상의 제약 때문에, 금형, 공구, 기계 요소 부품 등과 같은 3차원 물체에의 이온 주입을 위해서는 시료의 3방향 회전 및 경사 입사 이온에 의한 스퍼터링 현상을 막기 위한 마스킹의 필요성 등 기술적인 약점을 갖고 있으며, 이는 다른 표면 개질 장비에 비해 매우 비싼 장비 가격과 함께 이온 주입 기술의 실제 응용을 어렵게 하는 요인이라 할 수 있다.
플라즈마 이온 주입 기술은 종래 이온 주입 기술의 단점인 견통선 제약을 극복한 3차원 물체의 이온 주입에 적합한 기술로서, 장치의 구조 또는 종래의 이온 주입 장치에 비해 상대적으로 간단한 장점을 갖고 있다[J. R. Conrad의 미합중국 특허 제4,764,394호, 플라즈마원 이온 주입 방법 및 장치(Method and Apparatus for Plasma Source Ion Implantaion) 참조].
플라즈마 이온 주입 기술의 원리는 주입하고자 하는 이온의 플라즈마 내에 직접 시료를 위치시키고 시료에 부(-)의 고전압 펄스를 가함으로써 플라즈마로부터 이온이 추출되고, 이 이온이 시료에 가해지는 전압에 해당하는 에너지를 보유한 채 시료의 표면에 입사됨으로써 이온 주입이 이루어지는 것이다. 이때 입사되는 이온들은 시료의 표면에 거의 수직으로 입사되므로 종래의 이온 주입 장치를 사용하여 3차원 물체에 이온 주입시킬 경우 요구되는 시료의 복잡한 회전이나 마스킹을 사용하지 않고도 균일하게 이온 주입할 수 있다.
이후, 플라즈마 이온 주입 기술에 대한 몇 가지의 개선이 시도되었으나, 모두 단지 이온원만 개선한 것으로서 플라즈마 이온 주입 방법 자체를 개선한 것은 없었다[호주 특허 제8928824호, 플라즈마 이온 주입(Plasma ion Implantation), 유럽 특허 제480688호, 이온 주입용 플라즈마원 장치(Plasma Source Arrangement for Ion Implantation), 카나다 특허 제2,052,080호, 이온 주입용 플라즈마원 장치(Plasma Source Arrangement for Ion Implantation), 미합중국 특허 제5,126,163호, 멀티 펄스 아아크를 이용한 금속 이온 주입 방법(Method for Metal Ion Implantation Using Multiple Pulsed Arces) 참조].
그러나, 이러한 기존의 플라즈마 이온 주입 방법으로 이온을 주입할 경우, 주입 깊이가 수천 Å에 지나지 않아 내마모 특성의 향상에 한계가 있으며, 이를 극복하기 위해서는 이온을 주입한 후에 코팅층을 다시 형성하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 스퍼터링원이나 전자빔 증착원 또는 ECR 이온원 등을 사용할 수 있는데, 스프터링원이나 전자빔 증착원을 사용할 경우 낮은 이온화율 때문에 전기적으로 영향을 받지 않는 중성 원자들에 의한 견통선 방식으로 코팅층이 이루어지며, 비교적 높은 이온화율을 갖는 ECR원을 사용할 경우에도 기존의 플라즈마 이온 주입 방법에서 사용하는 고전압 펄스 형태를 사용할 경우 펄스가 가해지는 시간을 제외한 대부분의 시간 동안에는 시료가 접지(ground)되어 있으므로 플라즈마 이온 주입 방법의 장점이라 할 수 있는 3차원 표면 개질이 불가능하게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 3차원 물체의 표면 개질에 적합한 이중 모드 플라즈마 이온 주입 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 이중 모드 플라즈마 이온 주입 장치를 사용하여 단일 진공조 내에서 3차원 물체의 표면에 이온 주입과 코팅을 동시에 수행할 수 있는 개선된 표면 개질 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적 및 기타 잇점은 이하의 본 발명에 관한 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명에 따르면, 접지된 진공조, 이 진공조 내에 도입된 주입 이온원으로부터 이온 플라즈마를 형성하기 위한 수단, 진공조 내에 시료를 지지하기 위한 전도성 시료대, 시료에 이중 모드의 고전압 펄스를 가하기 위한 고전압 펄스 발생 장치 및 상기 플라즈마 형성 수단을 사이에 두고 상기 시료대와 대향하여 위치하는 코팅원 및 이 코팅원의 전원 장치로 이루어진 이중 모드 플라즈마 이온 주입 장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 이중 모드 플라즈마 이온 주입 장치의 시료대에 시료를 위치시키는 단계, 진공조 내에 주입 이온원을 도입하는 단계, 도입된 주입 이온원으로부터 이온 플라즈마를 발생시키는 단계, 플라즈마 발생과는 별도로, 발생된 플라즈마 이온이 시료에 충돌하여 시료 표면에 이온을 주입시키기에 충분한 이온 에너지를 가지고 시료를 향해 가속되도록 시료에 부(-)의 이중 모드 고전압 펄스를 가하는 단계, 및 시료에 가해지는 고전압 펄스를 오프시켜 시료에 가해지는 전압을 단순 직류 전압으로 전환시키고 코팅원에 전원을 연결하여 이온 주입된 시료 표면에 코팅층을 형성하는 단계로 이루어진, 물체의 표면 개질 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 이중 모드 플라즈마 이온 주입법에 따라 물체의 표면에 이중 모드의 고전압 펄스를 가하여 이온을 주입한 후, 이온 주입된 3차원 물체의 표면에 추가로 코팅층을 형성할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 이중 모드 플라즈마 이온 주입 장치의 구조는, 이에 한정되는 것은 아니지만, 제1도에 도시한 바와 같이, 진공조(1), 이 진공조 내에 도입된 주입 이온원으로부터 이온 플라즈마를 발생시키는 수단인 안테나(2), 이온 주입 및 임의로 코팅시키고자 하는 시료(5)를 진공조 내에 지지하기 위한 전도성 시료대(4), 이온 주입할 시료에 가하는 부(-)의 이중 모드 고전압 펄스를 발생시키는 고전압 펄스 발생 장치(11), 및 이온 주입된 시료 표면에 추가로 코팅층을 형성하기 위한 전자빔원이나 스퍼터원 또는 ECR 이온원 등의 코팅원(12) 및 이 코팅원의 전원 장치(13)으로 이루어진다.
본 발명에 따른 장치는, 진공조가 접지(ground)되며(14로 표시됨), 플라즈마(6)은 안테나(2)에 전원 장치 및 매칭 네트워크(3)으로부터 RF전력을 공급해 줌으로서 발생된다. 진공조(1)내에 발생된 플라즈마(6)은 진공조 둘레에 장착된 복수개의 자석(7)이 형성하는 자장에 의해 진공조 내에 가두어지기 때문에, 플라즈마(6)은 균일하게 유지되고 또한 고밀도로 발생하게 된다. 진공조(1)내에 형성되는 플라즈마의 온도 및 밀도는 플라즈마 측정 장치(8)로 측정하여 적절히 조절하며, 진공조 내의 진공도는 진공 펌프(9)를 통해 유지된다. 주입 이온원은 주입 장치(10)을 통해 진공조 내에 도입되며, 주입 이온원으로서는, 예를 들어 질소 이온 주입의 경우에는 질소 가스를 사용하고, 탄소 이온 주입의 경우에는 메탄 가스(CH4) 등을 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, RF전원 장치 및 매칭 네크워크(3)으로부터 공급된 RF전력을 사용하여 진공조 내에 주입 이온원의 이온 플라즈마를 형성하는 안테나(2)가 코팅원(12)와 시료(5) 사이에 위치함으로써 코팅시 코팅 물질의 이온화율을 높여 주고 이로 인하여 3차원 물체의 표면에 균일한 코팅층을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 시료에 가하는 고전압 펄스 형태로서 기존의 플라즈마 이온 주입 장치에서 사용하는 펄스 형태[제2도의 a]와는 다른 이중 모드의 고전압 펄스[제2도의 b]를 사용하기 때문에, 다음과 같은 장점을 얻을 수 있다. 즉, 기존의 고전압 펄스 형태인 제2도 a를 이용할 경우 이온 주입은 시료에 고전압이 가해지는 짧은 펄스 시간 동안에만 이루어지며 펄스가 오프되어 있는 대부분의 시간 동안에는 시료가 접지(ground)되어 있으므로 코팅원을 이용한 코팅층 형성시 견통선 코팅으로 인하여 3차원 물체의 표면 개질이 불가능하게 된다. 이에 반해 본 발명에 따르면, 제2도 b에서와 같이 펄스가 오프되어 있는 시간동안에도 시료를 접지(ground)시키지 않음으로써 3차원 이온 주입 뿐만 아니라 3차원 코팅을 가능하게 하여 준다. 또한, 이러한 펄스-오프 동안에 시료에 가해지는 전압을 기존의 플라즈마 이온 주입 장치의 경우에 해당되는 0V를 포함하여 이온 주입 에너지인 펄스 전압과는 별개로 가변시킬 수 있게 함으로써 이온 주입과 코팅을 각각 혹은 결합하여 사용할 수 있게 하며, 이는 단일 진공조 내에서 여러가지의 표면 개질을 가능하게 하여 준다.
본 발명에 의한 이중 모드 플라즈마 이온 주입 장치에서 사용되는 고전압 펄스 형태는 펄스 전압, 펄스-오프시 전압, 펄스폭 및 펄스 주파수의 4가지 값에 의해 결정되며 펄스 전압은 -10kV에서 -150kV 사이, 펄스-오프시 전압은 -50V에서 -10kV 사이, 펄스폭은 5μsec에서 50μsec 사이, 펄스 주파수는 10Hz에서 1kHz 사이의 값들을 사용한다.
하기 실시예들에 의해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
[실시예 1]
알루미늄 시료에 약 3×109/cm3의 플라즈마 밀도를 갖는 질소 플라즈마를 사용하여 이온 주입시켰다. 이온 주입 에너지는 50kV를 사용하였고 펄스-오프시 전압은 -50V로 하였다. 고전압 펄스폭은 25μsec, 펄스 주파수는 100Hz로 하여 10분간 이온 주입을 행하였다. 제3도는 질소 이온 주입을 실시한 알루미늄 시료의 깊이 방향 원소 분포를 분석한 오제이(Auger) 분석 결과를 나타낸 것이다. 제3도에서 보는 바와 같이, 질소는 이온 주입의 전형적 형태인 완만한 분포를 보이고 있으며 최대 이온 주입 깊이는 약 2000Å 정도에 달함을 알 수 있다.
[실시예 2]
실시예 1에서와 같이 질소 이온 주입을 행하였으며 메탄가스(CH4) 플라즈마를 이용하여 탄소 이온 주입을 수행하였다. 탄소 이온 주입시 펄스 전압은 -50kV, 펄스-오프시 전압은 -4kV로 하여 이중 모드로 실시하였으며 고전압 펄스폭은 25μsec, 펄스 주파수는 100Hz로 하여 10분간 이온 주입을 행하였다. 이온 주입된 표면에 마그네트론을 이용한 티타늄 스퍼터원과 질소와 탄소의 혼합 가스를 사용하여 탄질화 티타늄층을 형성하였다. 코팅시 시료 인가 전압은 고전압 펄스를 오프시키고 펄스-오프시 전압을 -4kV로 하여 단순 직류 전압이 되게 하였다. 제4도는 질소와 탄소 이온 주입후 탄질화 티타늄층을 코팅한 스테인레스강 시료의 깊이 방향 원소 분포를 분석한 오제이(Auger) 분석 결과이다. 제4도에서 보는 바와 같이, 코팅층 이하 스테인레스강 모재내의 질소와 탄소의 분포는 이온 주입 형태를 나타내고 있으며, 이온 주입층 위에 약 600Å 두께의 탄질화 티타늄층이 형성되어 있음을 알 수 있다. 이와 같은 방법으로 코팅층과 모재와의 급격한 조성 변화를 방지함으로서 단순 코팅의 문제점인 박리현상을 효과적으로 막을 수 있다.
Claims (6)
- 접지된 진공조, 이 진공조 내에 도입된 주입 이온원으로부터 이온 플라즈마를 형성하기 위한 수단, 진공조 내에 시료를 지지하기 위한 전도성 시료대, 시료에 부(-)의 이중 모드 고전압 펄스를 가하기 위한 고전압 펄스 발생 장치, 및 상기 플라즈마 형성 수단을 사이에 두고 상기 시료대와 대향하여 위치하는 코팅원 및 이 코팅원의 전원 장치로 이루어진 것이 특징인 이중 모드 플라즈마 이온 주입 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 형성 수단이 안테나인 것인 장치.
- 접지된 진공조, 이 진공조 내에 도입된 주입 이온원으로부터 이온 플라즈마를 형성하기 위한 수단, 진공조 내에 시료를 지지하기 위한 전도성 시료대, 시료에 이중 모드의 고전압 펄스를 가하기 위한 고전압 펄스 발생 장치, 및 상기 플라즈마 형성 수단을 사이에 두고 상기 시료대와 대향하여 위치하는 코팅원 및 이 코팅원의 전원 장치로 이루어진 이중 모드 플라즈마 이온 주입 장치의 시료대에 시료를 위치시키는 단계,진공조 내에 주입 이온원을 도입하는 단계,도입된 주입 이온원으로부터 이온 플라즈마를 발생시키는 단계,플라즈마 발생과는 별도로, 발생된 플라즈마 이온이 시료에 충돌하여 시료 표면에 이온을 주입시키기에 충분한 이온 에너지를 가지고 시료를 향해 가속되도록 시료에 부(-)의 이중 모드 고전압 펄스를 가하는 단계, 및시료에 가해지는 고전압 펄스를 오프시켜 시료에 가해지는 전압을 단순 직류 전압으로 전환시키고 코팅원에 전원을 연결하여 이온 주입된 시료 표면에 코팅층을 형성하는 단계로 이루어진 것이 특징인 물체의 표면 개질 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 이중 모드의 고전압 펄스가 펄스 전압 -10kV∼-150kV, 펄스-오프시 전압 -50V∼-10kV, 펄스폭 5μsec∼50μsec 및 펄스 주파수 10Hz∼1kHz를 갖는 것인 표면 개질 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 코팅원이 전자빔원, 스퍼터원 또는 ECR 이온원인 표면 개질 방법.
- 제3항에 있어서, 질소 주입 이온원으로부터 질소 가스를, 탄소 주입 이온원으로서 메탄 가스가 사용되는 것인 방법.
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| KR1019940031178A KR0137704B1 (ko) | 1994-11-25 | 1994-11-25 | 이중 모드 플라즈마 이온 주입 장치 및 이를 사용한 표면 개질 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1019940031178A KR0137704B1 (ko) | 1994-11-25 | 1994-11-25 | 이중 모드 플라즈마 이온 주입 장치 및 이를 사용한 표면 개질 방법 |
Publications (2)
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| KR0137704B1 true KR0137704B1 (ko) | 1998-06-01 |
Family
ID=19398967
Family Applications (1)
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Country Status (1)
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR19980032745A (ko) * | 1996-10-10 | 1998-07-25 | 레슬리 제이 카스퍼 | 펄스 플레이트 플라즈마 이온주입 시스템 |
| KR100443232B1 (ko) * | 2002-04-17 | 2004-08-04 | 재단법인서울대학교산학협력재단 | 유도결합 플라즈마를 이용한 이온 플레이팅 시스템 |
| WO2005007728A1 (en) * | 2003-07-22 | 2005-01-27 | Epon Co., Ltd. | Continuous surface-treating apparatus for three-dimensional shape of polymer and continuous surface-treating method thereof |
Families Citing this family (2)
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| KR100586402B1 (ko) * | 2005-04-15 | 2006-06-08 | (주) 브이에스아이 | 플라즈마 이온주입장치 및 이온주입방법 |
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1994
- 1994-11-25 KR KR1019940031178A patent/KR0137704B1/ko not_active IP Right Cessation
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| KR100443232B1 (ko) * | 2002-04-17 | 2004-08-04 | 재단법인서울대학교산학협력재단 | 유도결합 플라즈마를 이용한 이온 플레이팅 시스템 |
| WO2005007728A1 (en) * | 2003-07-22 | 2005-01-27 | Epon Co., Ltd. | Continuous surface-treating apparatus for three-dimensional shape of polymer and continuous surface-treating method thereof |
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| KR960019507A (ko) | 1996-06-17 |
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