KR0183510B1 - 원통내부에 피복층을 형성하기 위한 플라즈마 스퍼터링 장치 및 이를 이용한 피복층 형성방법 - Google Patents

원통내부에 피복층을 형성하기 위한 플라즈마 스퍼터링 장치 및 이를 이용한 피복층 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마용 스퍼터링법을 이용하여 대형 원통의 내부에 Ti, Cr, Ni, TiN, TiCN, TiC 등의 내식, 내마모, 윤활성 특성을 갖는 전도성 또는 비전도성의 금속 또는 비금속 물질을 피복시키는 장치와, 이러한 장치를 이용하여 원통내부에 내식, 내마모, 윤할성 피복층을 형성시키는 방법에 관한 것이다.

Description

원통내부에 피복층을 형성하기 위한 플라즈마 스퍼터링 장치 및 이를 이용한 피복층 형성방법
제1도는 일반적인 자성스퍼터링 시스템의 구조도,
제2도는 본 발명에 따른 원통내부 피복 스퍼터링 장치의 단면도,
제3도는 진공용기 및 모재로 사용되는 원통의 단면도,
제4도는 본 발명의 스퍼터링 장치에 사용되는 타겟의 단면도 및 측면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 캐소드(타겟) 2 : 밸브
3 : 진공측정기 4 : 1차진공펌프
5 : 2차진공펌프 6 : 외부마그네트론장치
7 : 구동롤러(1) 8: 구동롤러(2)
9 : 원통형용기 플랜지 10 : 가열장치(가열히터)
11 : 영구자석 12 : 냉각수라인
13 : 가스흐름조절장치 14 : 진공용기(원통형모재)
15 : 아르곤(Ar+)이온 16 : 스퍼터된 원자
17 : 전자 18 : 기판
19 : 자장선
본 발명은 플라즈마 스퍼터링(Sputtering) 기술을 이용하여 대형 원통의 내부 표면에 내식, 내마모, 윤활성 향상을 위한 전도성 또는 비전도성 물질을 균일하게 피복시키기 위한 장치 및 이를 이용한 피복층 형성방법에 관한 것이다.
종래에는 원통내부에 박막을 형성하기 위하여 스프레이 도포방식에 의하여 피복물질을 원통내부의 표면에 직접 피복하였다. 그러나, 이 방법은 금속물질을 용융시켜 고압에 의한 분사방식에 의하여 원통내부에 피복층을 형성하기 때문에, 금속의 용융과정 및 분사과정에서의 불늘렷물 혼입으로 인해 순수하지 않은 금속물질이 피복되어, 결과적으로 사용수명에 큰 제한을 받아왔다. 이에 본 발명에서는 종래의 스프레이 도포방식에 의한 원통내부 피복방법의 문제점을 개선하고 사용수명을 최대로 향상시키기 위하여 플라즈마 스퍼터링에 의해 원통를내부를 피복 시킴으로써 피복층의 내구성 및 작업환경을 개선하였다.
본 발명에서 이용되는 스퍼터링 증착 기술은 이온화된 불활성기체의 타겟 충돌 현상에 의해 증착물질을 직접 기화시키는 것이다. 불활성기체의 이온화작용은 비평형방전(Abnormal Glow Lischarge)영역에서 이루어지며 이온화된 기체는 전기장의 영향에 의해 음극 표면을 가격하게 된다. 따라서, 스퍼터링법에서는 타겟을 음극으로 사용하고 있으며 진공용기나 모재를 양극으로 사용하고 있다.
스퍼터링 기술의 원리를 살펴보면 진공용기내에 존재하는 타겟에 일정한 압력과 전압을 공급하여 주면 타겟주위에 플라즈마가 발생되고 방전영역에 존재하고 있던 양이온들이 전기적인 힘에 의해 타겟표면을 가격하게 된다. 이때 가격하는 양이온의 운동에너지가 타겟표면에 존재하는 원자들에게 전달되며 이 에너지가 가격당하는 원자들의 결합에너지보다 크면 타겟원자들은 타겟으로부터 방출되어 나온다. 그러나 스퍼터링 기술의 가장 큰 단점은 이극법을 사용하였을 경우 피막형성 속도가 매우 낮아 생산성이 떨어진다는 점이었다. 이러한 단점을 보완한 것으로 자기력을 이용하여 전자들의 운동을 제어하여 이온화 확률을 높일 수 있다. 이러한 자기력을 이용하는 스퍼터링법은 타겟 뒤쪽에 N극과 S극을 형성시켜 전자들의 운동을 직선운동에서 나선운동으로 변형시킨다. 따라서, 동일압력조건에서 전자들의 중성원자등을 가격할 확률은 전자들의 이동거리를 증가시킴에 따라서 증가되고, 이온화 확률을 높이므로써 빠른 증착속도를 얻을 수 있다.
제1도는 자성스퍼터링 시스템을 나타낸 것으로 자력선과 자력선이 수직으로 교차되는 지점에서 최대 이온화 확률을 보이며 고밀도 플라즈마 띠를 형성함으로써 국부적인 스퍼터링 현상이 발생됨을 보여주고 있다.
본 발명에서는 상기와 같은 자성 스퍼터링법을 이용하여 원통내부에 Cr, Ni, Ti, CrN, Tin, TiC, TiCN 등의 내식, 내마모, 윤활특성을 갖는 물질을 균일하게 피복시키기 위한 장치 및 이를 이용하여 원통내부에 피막을 형성시키는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 장치는, 제2도에 예시된 바와 같이, 진공용기, 진공배기부, 타겟 캐소드 시스템, 가열장치, 외부 마그네트론 장치로 구성되어 있다.
본 발명의 장치에서는 내부표면에 중착물질을 피복시킬 원통형 모재를 플라즈마 스퍼터링을 위한 진공용기(14)로 사용한다. 그리고 통상의 플라즈마 스퍼터링 장치에서와 같이 진공용기 내부에 플라즈마를 발생시키기 위하여 Ar가스 또는 플라즈마 방전을 형성할 수 있는 가스를 유입하는 장치와 전원공급장치(도시안됨)가 설치된다. 진공요기(14) 내부에는 피복된 막의 두께측정장치가 설치될 수 있고, 또한 진공용기(14)외부에 1개 이상의 구동롤러(7,8)가 설치되어 이 구동롤러에 의해 진공용기를 회전시킴으로써 모재인 진공용기 내부에 균일하게 피복층을 형성시킬 수 있다.
진공배기부는 저진공 고진공영역을 형성하기 위하여 진공도의 영역별로 이등분하여 2종류 이상의 진공펌프가 설치되며, 예로서 대기압에서 10-2토르 영역까지 진공을 배기하는 1차 진공폄프 (4) (예 ; 로타리베인 펌프)와 10-2토르에서 1×10-5토르 까지 진공을 배기하는 2차 진공펌프(5) (예 ; 유확산 펌프) 사용하여 진공을 배기하는 시스템으로 구성될 수 있다. 상기 진공펌프들 중 하나(5)는 원통형 모재인 진공용기(14)의 양단 개구부에 연결되며, 다른 진공펌프(4)는 진공용기에 연결된 상기 진공펌프(5) 에 연결되고, 각 폄프에는 밸브 (2)가 설치되어 있다. 진공펌프(5)가 연결되는 원통형 진공용기(14)의 양단부에 있는 진공용기(14)와 밸브(2)의 연결부에는 진공용기(14) 내의 진공을 유지하기 위한 플랜지 (9)가 설치되어 있다. 그리고 초기진공도 및 작업진공도를 측정하기 위하여 진공도의 영역별로 이등분하여 2종류이 상의 진공측정기(3)가 밸브(2)의 상단에 설치될 수 있다.
타겟 캐소드 시스템은 모재인 원통형 진공용기(14)내에 설치되며, 전원 공급에 의하여 플라즈마를 균일하게 형성하기 위하여 타겟 (1) 뒷면에 영구자석(11) 이 N극과S극으로 나누어 형성되어 있으며, 또한 플라즈마를 발생시키기 위하여 가스와 전원이 공급될 때 전원공급에의하여 타겟표면에 발열되는 현상을 막기 위하여 타겟(1) 뒷면에 냉각수 라인(12)을 설치하여 발열현상을 해리시키는 시스템으로 구성될 수 있다.
또한 원통형 모재 내부에 균일한 피복층을 형성하기 위하여 타겟하부에 가스가 통과하는 파이프 형태의 가스흐름조절장치(3)를 설치하고, 이를 진공 시스템 외부에 설치되는 전자식 매스 플로우 미터 (Mass Flow Meter)(도시안됨)를 이용하여 측정할 수 있다.
제4-1도 및 제4-2도는 영구자석(11)과 냉각수라인(12) 및 가스흐름조절장치(13)가 설치 된 타겟(1)의 단면도 및 측면도이다.
가열장치(10)는 원통형 모재 내부에 피복되는 피복층의 밀착력을 향상시키기 위하여 모재의 표면에 열을 가하기 위한 장치로서, 직접 또는 간접가열 방식의 가열히터, 예를 들면 적외선을 이용하여 가열시키는 방법의 일종인 할로겐 램프(Halogen Lamp)를 진공용기(14)인 원통형 모재의 외부 표면에 근접하게 다수 장착해 모재표면에 열을 가하도록 구성되어 있다. 가열히터로서 할로겐 램프를 사용할 경우, 할로겐램프 뒷면으로 적외선이 반사됨으로 인한이 열의 전도를 막기 위하여 단열처리를 하는 것이 바람직하다. 단열처리는 표면 경면처리된 불수 강을 할로겐 램프가 설치된 후면에 여러겹으로 설치하여 행하며, 이러한 단열처리에 의해 진공용기(14)의 벽면으로 전달되는 열을 차단시킴과 동시에 할로겐 램프에서 발생되는 적외선을 경면화된 불수강의 표면으로 반사시킴으로써 열의 집속도를 증가시킬 수 있다.
외부 마그네트론장치(6)는 원통형 모재(6)내부에 장착된 타겟 캐소드(1)에 의해 발생된 플라즈마를 원통의 내부표면으로 집속시켜 원통형 모재내부에 균일한 피복층을 형성하기 위하여 원통형 모재 외부에 설치되는 마그네트론 장치로서, N극과 S극의 형성에 의해서 내식성, 내마모성, 윤활성 박막이 형성되어야 할 원통내부표면의 피복부위에 타겟 캐소드 시스템으로부터 발생된 플라즈마를 집속시켜주는 기능을 한다.
본 발명에 따른 원통내부 피복층 형성방법은 상술한 본 발명의 장치를 이용하여 초기 진공도를 1×10-5토르이상으로 유지하고, 작업진공도를 4×10-4∼6×10-2토르의 범위로 하여 플라즈마를 발생시키고, Cr, Ni, Ti, CrN, TiN, TiCN, TiC, 등과 같은 내식, 내마모, 윤활성 물질을 스퍼터링시켜 진공용기로 사용되는 원통형 모재내부에 피복층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 장치와 이를 이용한 원통내부 피복방법에 의하면, 순수한 금속물질이 피복되기 때문에 원통내부의 피복층의 두께가 5μm 정도만 되어도 기존의 스프레이 도포방식에 의해 30∼100μm 두께로 피복한 경우와 동일한 수준의 내식성 등의 특성을 나타낼 수 있다. 이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
[실시예 1 ]
제2도에 나타낸 스퍼터링 장치를 이용하여 원통의 내부에 Cr을 피복시켰다.
본 실시예로서는 DC 전원공급장치로부터 공급되는 직류전원을 사용하였고, 타겟뒤에 마그네트론을 장착하여 증착속도를 100nm/min 까지 증대 시켰다.
타겟이 장착되는 캐소드는 길이가 3700mm, 넓이가 600mm이고, 두께가 150mm이며 Cr 타겟은 길이가 3600mm, 넓이가 550mm이고, 두께가 5mm인 것을 사용하였다.
초기 진공도 1×10-5토르는 얻기 위하여 12,000 Usec 용량의 유확산펌프 2대를 각각 진공용기의 양단부에 연결하여 빠른시간내 목적 진공도를 유지할 수 있도록 하였다. 원통의 내경 전체에 균일한 피복층을 형성하기 위하여 가스유입장치는 전자식 매스 플로우미터로서 설정치에 ±0.01%오차를 갖는 정교한 것을 사용하였다.
타겟에 가해지는 전력밀도는 11.3W/㎠이었으며, 초기진공도 1×10-5토르에서 순도 99.995%의 Ar가스를 주입하여 4×10-4토르의 작업압력하에서 플라즈마를 발생시켜 원통내부에 5μm 두께의 Cr 피복층을 형성하였다.
[실시예 2 ]
타겟으로서 Ni을 사용하고 , Ni이 마그네트론에 의해 자화되는 성질을 고려하여 타겟두께를 1.55mm로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 장치와 동일한 조건하에서 원통모재내부에 10μm 두께의 Ni 피복층을 형성하였다.

Claims (7)

  1. 내부 표면에 피복층을 형성할 원통형 모재를 진공용기로 하고; 상기 진공용기내부에 플라즈마를 발생시키기 위한 가스를 공급하는 가스유입장치와 플라즈마 방전을 위한 전원공급장치; 상기 진공용기 내부에 균일한 피복층이 형성되도록 상기 진공용기를 회전시키기 위한 1개 이상의 구동롤러; 상기 진고용기의 양쪽 개구부에 각각 연결되어 있으며 밸브가 장착된 진공배기용 진공펌프; 상기 진공용기 내부에 설치되어 있는 마그네트론이 장착된 타겟; 상기 진공용기 외부표면에 근접하게 설치되며, 진공용기 내부에 피복되는 피복층의 밀착력이 향상되도록 진공용기 표면을 가열하기 위한 가열장치; 및 상기 진공용기 외부에 설치되며, 진공용기 내부의 타겟에 의해 발생된 플라즈마를 진공용기 내부표면으로 집속시키기 위한 외부 마그네트론을 구비하여 된 원통내부피복 스퍼터링장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 진공용기와 상기 진공폄프의 연결부에 설치되는 진공유지를 위한 플랜지를 더 구비하여 된 것을 특징으로 하는 원통내부 피복스퍼터링장치;
  3. 제1 항에 있어서, 저진공 및 고진공 영역을 형성하기 위하여 상기 진공폄프에 연결되는 1개 이상의 다른 진공펌프를 더 구비하여 된 것을 특징으로 하는 원통내부피복 스퍼터링장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가열장치는 할로겐 램프인 것을 특징으로 하는 원통내부피복 스퍼터링장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 외부마그네트론은 전자석 또는 영구자석인 것을 특징으로 하는 원통내부 피복스퍼터링장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 진공용기 내부에 설치되는 피복층 두께 측정장치를 더 구비하여 된 것을 특징으로 하는 원통내부피복 스퍼터링장치.
  7. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 따른 장치를 이용하여, 초기 진공도를 1×10-5 토르이상으로 유지하고 작업진공도 범위를 4×10-4∼6×10-2토르로 하여 플라즈마를 발생 시키고, Cr,Ni,Ti,CrN,TiN,TiCN 또는TiC를 타겟물질로 하여 이를 스퍼터링시켜 원통형 모재내부 표면에 피복층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 원통 내부 피복층 형성방법.
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