KR100443232B1 - Inductively Coupled Plasma Assisted Ion Plating System - Google Patents

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KR100443232B1
KR100443232B1 KR10-2002-0021014A KR20020021014A KR100443232B1 KR 100443232 B1 KR100443232 B1 KR 100443232B1 KR 20020021014 A KR20020021014 A KR 20020021014A KR 100443232 B1 KR100443232 B1 KR 100443232B1
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이정중
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재단법인서울대학교산학협력재단
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Abstract

본 발명은 우수한 특성의 내식 및 내마모 보호코팅을 고속으로 제조하기 위한 유도결합 플라즈마 이온 플레이팅 시스템에 관한 것으로, 일측에 진공 형성을 위한 진공 수단이 연결되고, 타측에 플라즈마 형성을 위한 소스가 공급되는 챔버; 상기 챔버에 연결되어 플라즈마 형성을 위한 적어도 1 종류의 소스를 공급해 주는 적어도 1의 소스 공급부; 상기 챔버의 일단에 설치되어 시료를 증발시켜 주는 증발 수단; 상기 챔버 내에서 상기 증발 수단의 반대편에 설치되어 기판이 장착되는 기판 홀더; 상기 증발 수단과 기판 사이에 설치되어 상기 증발 수단에서 증발되는 시료의 흐름을 제어하는 셔터; 상기 기판과 셔터 사이에 설치되어 RF 전기장을 형성하여 상기 소스 공급부를 통하여 공급되는 소스와 상기 증발 수단에서 증발된 시료를 플라즈마 상태로 변화시켜 화학적 합성을 촉진시켜 주고, 상기 기판에 대한 결합력을 높여 주는 RFI 코일; 상기 RFI 코일에 RF 파워를 공급해 주는 RF 공급부; 상기 기판의 후면에 분리 설치되고 DC의 양극이 연결되어 상기 기판의 후면을 음전하로 대전시켜 주는 DC 양극부; 상기 DC 양극부에 DC 전압을 공급해 주는 DC 공급부를 포함하여 구성된다.The present invention relates to an inductively coupled plasma ion plating system for producing a high-speed corrosion and wear protection coating of excellent properties, the vacuum means for forming a vacuum is connected to one side, the source for plasma formation is supplied to the other side A chamber; At least one source supply unit connected to the chamber to supply at least one type of source for plasma formation; Evaporation means installed at one end of the chamber to evaporate the sample; A substrate holder mounted on the opposite side of the evaporation means in the chamber to mount a substrate; A shutter installed between the evaporation means and the substrate to control a flow of a sample evaporated by the evaporation means; It is installed between the substrate and the shutter to form an RF electric field to change the source and the sample evaporated by the evaporation means supplied through the source supply to the plasma state to promote chemical synthesis and to increase the binding force to the substrate RFI coils; An RF supply unit supplying RF power to the RFI coil; A DC anode unit which is separately installed on a rear surface of the substrate and connected to a DC anode to charge the rear surface of the substrate to a negative charge; It comprises a DC supply unit for supplying a DC voltage to the DC anode.

Description

유도결합 플라즈마를 이용한 이온 플레이팅 시스템{Inductively Coupled Plasma Assisted Ion Plating System}Inductively Coupled Plasma Assisted Ion Plating System

본 발명은 유도결합 플라즈마를 이용한 이온 플레이팅 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 특성의 내식 및 내마모 보호코팅을 고속으로 제조하기 위한 유도결합 플라즈마 이온 플레이팅 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an ion plating system using an inductively coupled plasma, and more particularly to an inductively coupled plasma ion plating system for producing a high speed corrosion and wear protection coating of excellent properties.

일반적인 증발법은 높은 증착 속도를 얻기 위해서 소스의 증발 속도를 빠르게 하는 방법이 사용되고 있으나, 이 경우 박막 내에 공공이나 결함이 많이 발생하는 단점을 가지고 있다.The general evaporation method is used to increase the evaporation rate of the source in order to obtain a high deposition rate, but in this case has a disadvantage that a lot of voids or defects occur in the thin film.

이러한 단점을 극복하고자, 증착기 내에 이온을 생성시키고 증착하는 기판에 높은 음의 바이어스를 인가하는 연구가 수행되었다.To overcome this drawback, studies have been conducted to apply high negative bias to substrates that produce and deposit ions in the evaporator.

그러나 이전까지의 기술은 증착기 내의 이온 밀도가 그리 높지 않아 그 효과가 크지 않았고, 기판 바이어스를 너무 크게 인가할 경우는 오히려 박막 내 결함을 형성시키고, Ar 원자들이 박막 내에 파묻히는 결과를 초래한다.Previous techniques, however, have not been very effective because the ion density in the evaporator is not so high, and applying too much substrate bias results in defects in the thin film and results in Ar atoms being buried in the thin film.

이전에 주로 사용되었던 이온(플라즈마) 생성 방법은 텅스텐 필라멘트를 이용한 열전자 발생 장치를 이용하는 것인데, 위에 설명한 바와 같이 높은 이온 밀도를 얻기는 어렵고, 공정 압력에 대한 영향 등의 단점을 가지고 있다.The ion (plasma) generation method, which has been mainly used in the past, uses a thermoelectron generator using tungsten filaments. As described above, it is difficult to obtain a high ion density and has disadvantages such as an influence on process pressure.

한편, 기존의 이온 플레이팅 방법에서는 증착 속도를 높일 경우 반응성 기체와 소스 물질간의 반응이 충분하지 못하여 높은 기판 온도가 요구되었다. 특히 내식 및 내마모 코팅 재료는 주로 천이금속의 질화물이 많이 사용되고 있는데, 이들의 경우 증착 속도를 높이면 질화물을 제대로 형성하지 못하고 금속상이 함께 나타나는 경우가 많이 보고되고 있다.Meanwhile, in the conventional ion plating method, when the deposition rate is increased, the reaction between the reactive gas and the source material is not sufficient, so that a high substrate temperature is required. In particular, the corrosion and abrasion resistant coating materials are mainly used nitrides of transition metals, and in these cases, when the deposition rate is increased, nitrides are not formed properly, and metal phases are often reported.

또한, 모재의 표면에 내식 및 내마모 피막을 입힘으로써 공구 및 기계부품의 성능과 수명을 향상시키기 위한 연구는 오래 전부터 수행되어 왔으며, 그동안 여러 종류의 보호 피막과 함께 다양한 제조 기술이 개발되어 왔다. 이러한 표면 피막 제조 기술의 응용은 전자, 광학 분야에서 기계, 화학적인 분야에 이르기까지 그 범위가 매우 광범위하며 날로 확대되어가고 있다.In addition, research has been conducted for a long time to improve the performance and life of tools and mechanical parts by applying a corrosion and wear resistant coating on the surface of the base material, and various manufacturing techniques have been developed along with various kinds of protective coatings. The application of the surface coating technology is very broad and expanding from electronics and optics to mechanical and chemical fields.

이중 기계적인 응용분야에서 가장 많은 연구의 대상이 되고 실제로 그 상업화가 활발히 되고 있는 분야는 절삭 공구, 금형, 다이 등의 수명 및 작업 성능 향상을 위한 보호 코팅 분야이다. 특히 각종 금형 및 공구류의 수명 연장 및 기능 개선을 위해 세라믹 재료를 코팅하는 기술은 공구의 고급화를 통한 부가가치를 높이는 전략으로 세계적으로 매우 활발하게 연구가 진행되고 있다.In the field of mechanical applications, the most researched and actually commercialized field is the protective coating for improving the life and work performance of cutting tools, dies and dies. In particular, the technology of coating ceramic materials to extend the life and function of various molds and tools is being actively researched around the world as a strategy to increase the added value through advanced tools.

내식 및 내마모 보호 코팅을 제조하는 방법으로는 열화학 증착법, 플라즈마 화학 증착법, 유기화학 증착법 등의 화학적 기상 증착법과 증발법, 스퍼터링, 이온 플레이팅 등의 물리적 기상 증착법 등이 있다.Methods for producing corrosion and abrasion resistant coatings include chemical vapor deposition such as thermal chemical vapor deposition, plasma chemical vapor deposition, and organic chemical vapor deposition, and physical vapor deposition such as evaporation, sputtering, and ion plating.

또한 내마모 경질 코팅재료로는 천이금속(Cr, Ti, Zr)의 질화물, 탄화물인CrN, TiN, TiC, ZrN, HfN 등과 더불어 서로 다른 성질을 갖는 재료를 복합적으로 조합한 Ti(C, N), (Cr, Al)N, (Ti, Cr)N, (Ti, Al)N 등의 3원계 질화물, 붕화물, 탄화물, 그리고 (Ti, Al, Zr)N, Ti(C, B, N) 등의 4원계 내마모 경질 코팅도 연구되고 있다. 이중 CrN은 경도가 높고, 내식성과 내산화성이 우수하여 내식 및 내마모 보호 코팅으로 널리 사용되고 있다. CrN은 경도가 약 2000HK(kgfmm-2) 전후의 값으로 보고되고 있다. Cr의 질화물로는 Cr2N 이라는 상도 존재하는데, 이전까지의 방법으로는 빠른 속도로 박막을 성장시킬 경우 CrN 단일 상이 아닌 Cr, Cr2N, CrN 상이 공존하는 CrNx박막이 형성된다. Cr2N 상이 존재할 경우 경도는 조금 더 높지만 접착력이 나빠지게 되어 실제 보호 피막으로서의 기능은 많이 떨어지게 된다.In addition, wear-resistant hard coating material Ti (C, N) in combination with a combination of materials having different properties, such as nitrides of transition metals (Cr, Ti, Zr), carbides CrN, TiN, TiC, ZrN, HfN Tertiary nitrides, borides, carbides, such as (Cr, Al) N, (Ti, Cr) N, (Ti, Al) N, and (Ti, Al, Zr) N, Ti (C, B, N) Quaternary wear-resistant hard coatings such as are also being studied. Among them, CrN has high hardness, excellent corrosion resistance and oxidation resistance, and is widely used as a corrosion and wear protection coating. CrN is reported to have a hardness around 2000 HK (kgfmm -2 ). As a nitride of Cr, there is also a Cr 2 N phase. In the past, when a thin film is grown at a high speed, a CrN x thin film in which Cr, Cr 2 N, and CrN phases coexist rather than a single CrN phase is formed. If Cr 2 N phase is present, the hardness is slightly higher, but the adhesion is worsened, and thus the function as a protective film is much lowered.

상기한 바와 같은 제반 문제점을 해소하기 위한 이전 연구에서도 일본의 Y. Murayama는 RF-RIP(RF Reactive Ion-Plating)장치를 고안하여, 증발 소스를 이용하는 시스템에 RF 코일에 의한 플라즈마 발생 방법을 도입한 바 있다.In a previous study to solve the above problems, Y. Murayama of Japan devised an RF Reactive Ion-Plating (RF-RIP) device, which introduced a plasma generation method by an RF coil in a system using an evaporation source. There is a bar.

그러나 RF 코일에 의한 유도 결합 플라즈마 발생 특성 등을 잘 이용하지 못하여 미세 조직 제어는 어느 정도 가능하였으나, 치밀한 박막 조직이나 반응성 향상 등에서는 큰 결과를 얻지 못하였다.However, the microstructure control was possible due to the inability to use inductively coupled plasma generation characteristics by the RF coil, but the result was not obtained in the dense thin film structure or the reactivity improvement.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 플라즈마 형성을 통하여 반응성을 높이고, 높은 이온(플라즈마) 밀도를 형성하여 증착 속도를 높이고, 플라즈마의 밀도와 기판에 입사되는 이온에너지를 독립적으로 조절하여 미세 조직을 정밀하게 제어하여 형성하고, 치밀한 조직을 형성할 수 있는 유도결합 플라즈마를 이용한 이온 플레이팅 시스템을 제공하는데 있다.The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and its object is to increase the reactivity through plasma formation, to form a high ion (plasma) density, to increase the deposition rate, and to enter the density of the plasma and the substrate The present invention provides an ion plating system using an inductively coupled plasma capable of precisely controlling and forming fine tissues by independently controlling ion energy and forming dense tissues.

도 1은 본 발명에 따른 유도결합 플라즈마를 이용한 이온 플레이팅 시스템을 설명하기 위한 구성도.1 is a block diagram illustrating an ion plating system using an inductively coupled plasma according to the present invention.

도 2는 RF 파워와 공정 압력에 따른 이온 밀도 관계를 나타낸 그래프.2 is a graph showing the relationship between ion density according to RF power and process pressure.

도 3은 RF-RIP으로 제조한 Cr-N 박막의 XRD 회절 패턴을 나타낸 그래프.Figure 3 is a graph showing the XRD diffraction pattern of the Cr-N thin film prepared by RF-RIP.

도 4는 본 발명에 따라 제조한 Cr-N 박막의 XRD 회절 패턴을 나타낸 그래프.Figure 4 is a graph showing the XRD diffraction pattern of the Cr-N thin film prepared according to the present invention.

도 5는 RF-RIP으로 제조한 Cr-N 박막의 경도를 나타낸 그래프.5 is a graph showing the hardness of the Cr-N thin film prepared by RF-RIP.

도 6은 RF 파워에 따른 Cr-N 박막의 경도를 나타낸 그래프.6 is a graph showing the hardness of the Cr-N thin film according to the RF power.

도 7은 RF 파워에 따른 SEM 표면 사진.7 is a SEM surface photograph according to the RF power.

도 8은 RF 파워에 따른 SEM 단면 사진.8 is a SEM cross-sectional view of the RF power.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일측에 진공 형성을 위한 진공 수단이 연결되고, 타측에 플라즈마 형성을 위한 소스가 공급되는 챔버; 상기 챔버에 연결되어 플라즈마 형성을 위한 적어도 1 종류의 소스를 공급해 주는 적어도 1의 소스 공급부; 상기 챔버의 일단에 설치되어 시료를 증발시켜 주는 증발 수단; 상기 챔버 내에서 상기 증발 수단의 반대편에 설치되어 기판이 장착되는 기판 홀더; 상기 증발 수단과 기판 사이에 설치되어 상기 증발 수단에서 증발되는 시료의흐름을 제어하는 셔터; 상기 기판과 셔터 사이에 설치되어 RF 전기장을 형성하여 상기 소스 공급부를 통하여 공급되는 소스와 상기 증발 수단에서 증발된 시료를 플라즈마 상태로 변화시켜 화학적 합성을 촉진시켜 주고, 상기 기판에 대한 결합력을 높여 주는 RFI 코일; 상기 RFI 코일에 RF 파워를 공급해 주는 RF 공급부; 상기 기판의 후면에 분리 설치되고 DC의 양극이 연결되어 상기 기판의 후면을 음전하로 대전시켜 주는 DC 양극부; 상기 DC 양극부에 DC 전압을 공급해 주는 DC 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마를 이용한 이온 플레이팅 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a vacuum means for forming a vacuum is connected to one side, the chamber is supplied with a source for plasma formation on the other side; At least one source supply unit connected to the chamber to supply at least one type of source for plasma formation; Evaporation means installed at one end of the chamber to evaporate the sample; A substrate holder mounted on the opposite side of the evaporation means in the chamber to mount a substrate; A shutter installed between the evaporation means and the substrate to control a flow of a sample evaporated by the evaporation means; It is installed between the substrate and the shutter to form an RF electric field to change the source and the sample evaporated by the evaporation means supplied through the source supply to the plasma state to promote chemical synthesis and to increase the binding force to the substrate RFI coils; An RF supply unit supplying RF power to the RFI coil; A DC anode unit which is separately installed on a rear surface of the substrate and connected to a DC anode to charge the rear surface of the substrate to a negative charge; It provides an ion plating system using an inductively coupled plasma comprising a DC supply for supplying a DC voltage to the DC anode.

상기 챔버는 잔류가스의 영향을 최소화하기 위하여 초기 압력을 1×10-6Torr 이하로 한 후에 상기 소스 공급부를 이용하여 불활성 가스와 반응 가스를 공급하여 공정 압력을 1×10-2Torr ∼ 1×10-3Torr로 유지된다.In order to minimize the influence of the residual gas, the chamber has an initial pressure of 1 × 10 −6 Torr or less, and then supplies an inert gas and a reactive gas using the source supply unit, thereby reducing the process pressure from 1 × 10 −2 Torr to 1 × It is maintained at 10 -3 Torr.

상기 증발 수단에 놓이는 시료는 상기 소스 공급부를 통하여 공급되는 반응 가스와 화학적으로 결합되는 금속 물질이며, 상기 소스 공급부를 통하여 공급되는 반응 가스는 상기 시료와 화학적으로 결합되는 가스 상태의 물질로써, 상기 금속은 크롬이고, 상기 가스는 질소이다.The sample placed on the evaporation means is a metal material chemically bonded to the reaction gas supplied through the source supply unit, and the reaction gas supplied through the source supply unit is a gaseous substance chemically coupled to the sample, and the metal Is chromium and the gas is nitrogen.

상기 챔버와 기판은 전기적으로 접지 처리되며, 상기 시료와 소스를 이용한 기판에 대한 증착 속도는 16Å/s로 이루어진다.The chamber and the substrate are electrically grounded, and the deposition rate of the substrate using the sample and the source is 16 kW / s.

상기 기판과 RFI 코일간과 상기 RFI 코일과 증발 수단 간의 거리는 각각 3cm 이상으로 유지되며, 상기 증발 수단은 교류 전원이 인가되어 발열되고, 상기 RFI코일은 냉각을 위한 냉매가 통과하는 튜브로 이루어지고, 냉매를 공급하는 냉매 공급 수단을 더 포함하여 구성된다.A distance between the substrate and the RFI coil and the RFI coil and the evaporation means is maintained at 3 cm or more, respectively, and the evaporation means is heated by AC power, and the RFI coil is formed of a tube through which a refrigerant for cooling passes. It further comprises a refrigerant supply means for supplying.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 기판에 대한 증착 성능을 높여서 치밀한 조직으로 증착이 가능하고 증착 속도가 빠르며, 저온에서도 증착이 가능하다.As described above, in the present invention, the deposition performance of the substrate may be increased, and the deposition may be performed in a dense structure, the deposition speed may be high, and the deposition may be performed at low temperature.

(실시예)(Example)

이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부 도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings showing a preferred embodiment of the present invention described above in more detail.

일반적으로 플라즈마를 이용한 증착 공정에서 이온 밀도는 매우 중요한 공정 변수이다. 이온 밀도가 높을 경우 기판에 대한 이온 충돌 효과로 인하여 박막이 치밀하게 형성되고, 반응 소스 원자들의 여기로 인한 반응성 향상 등으로 화학양론이 잘 맞는 박막을 형성할 수 있다는 것은 이전 연구들을 통해서 이미 알려져 있다.In general, ion density is a very important process parameter in a plasma deposition process. It is known from previous studies that a high ion density can form a thin film due to the ion collision effect on the substrate, and to form a stoichiometric thin film by improving the reactivity due to excitation of reaction source atoms. .

그리고 RF 코일에 의한 플라즈마 발생의 경우 CCP(Capacitively Coupled Plasma)와 ICP(Inductively Coupled Plasma) 두 가지의 플라즈마 발생모드가 존재한다. CCP 모드에 비해 ICP 모드의 경우는 높은 이온 밀도를 가지고 있어서 우수한 박막 제조를 위한 증착 공정에 필요하다.In the case of plasma generation by the RF coil, there are two plasma generation modes, Capacitively Coupled Plasma (CCP) and Inductively Coupled Plasma (ICP). Compared to the CCP mode, the ICP mode has a high ion density, which is required for the deposition process for producing a thin film.

본 발명에서는 L-probe를 이용한 이온 밀도 측정으로 유도 결합 플라즈마를 이용한 이온 플레이팅 장치에서 높은 이온 밀도의 ICP 모드로 플라즈마를 발생시킬 수 있는 공정 조건을 찾아내고 우수한 특성의 박막을 제조하였으며, 그 공정 조건에서 플라즈마를 안정적으로 발생시킬 수 있는 임피던스 매칭 시스템을 설계하였다.In the present invention, in the ion plating apparatus using the inductively coupled plasma by the ion density measurement using the L-probe to find the process conditions that can generate the plasma in the ICP mode of high ion density and to produce a thin film of excellent characteristics, the process An impedance matching system was designed to generate plasma stably under the conditions.

본 발명에 따른 유도결합 플라즈마 이온 플레이팅은 기존의 증발 장치에 새로운 플라즈마 보조 장치인 RFI 코일(34)을 원형 또는 나선형으로 감아서 챔버(10) 안에 직접 장착하여 챔버(10) 내부의 플라즈마를 활성화시키는 기술이다.The inductively coupled plasma ion plating according to the present invention activates the plasma inside the chamber 10 by mounting the RFI coil 34, which is a new plasma assisting device, to the existing evaporator in a circular or spiral manner and mounting it directly in the chamber 10. It is a technique to let.

챔버(10) 내부에 장착된 RFI 코일(34)에 RF(Radio Frequency) 파워를 걸어주면 급격한 전기장의 변화가 야기되고, RFI 코일(34)의 축방향으로 자기장이 형성되고, 시간에 따라 변화하는 자기장의 영향으로 2차 전기장이 RFI 코일(34) 주변에 유도되며, 이 때 형성되는 유도 전기장에 의하여 전자들은 RFI 코일(34) 주변에서 RFI 코일(34)을 따라 원형으로 가속 운동을 하게 되어 증발된 시료의 입자 및 반응 가스들을 이차적으로 이온화시키게 된다.Applying RF (Radio Frequency) power to the RFI coil 34 mounted inside the chamber 10 causes a sudden electric field change, and a magnetic field is formed in the axial direction of the RFI coil 34, which changes over time. Under the influence of the magnetic field, the secondary electric field is induced around the RFI coil 34, and the induced electric field is then evaporated by a circular acceleration along the RFI coil 34 around the RFI coil 34. Particles and reactant gases of the sample are then ionized.

따라서 챔버(10) 안의 플라즈마를 더욱 활성화시키고 입자들의 이온화율을 기존의 이온 플레이팅 장치보다 크게 증가시킬 수 있다. 일반적으로 사용되는 증발법에서는 이온 밀도가 매우 낮은데 반하여, 본 발명에 따른 유도결합 플라즈마 증발법(ICP-Evaporation)의 경우는 ∼1011#/cm3의 매우 높은 이온 밀도를 얻을 수 있었다.Therefore, it is possible to further activate the plasma in the chamber 10 and to increase the ionization rate of the particles to be larger than the conventional ion plating apparatus. In general, the ion density is very low in the evaporation method used, whereas in the case of inductively coupled plasma evaporation (ICP-Evaporation) according to the present invention, a very high ion density of ˜10 11 # / cm 3 was obtained.

본 발명에 따른 유도결합 플라즈마를 이용한 이온 플레이팅 시스템은 도 1에 나타낸 바와 같이, 이온 플레이팅 반응이 이루어지는 챔버(10), 상기 챔버(10)의 하단에 설치되어 시료(40)를 융융시켜 증발시켜 주는 증발대(16), 상기 챔버(10)의 상단에 설치되어 피증착물이 증착되는 기판(44)이 장착되는 기판 홀더(20), 상기 증발대(16)와 기판(44) 사이에 설치되어 RF 전기장을 형성하는 RF I코일(34), 상기챔버(10)의 일측에 연결되어 반응 가스를 공급해 주는 소스 공급부(42), 상기 챔버(10)의 타측에 연결되어 상기 챔버(10)의 압력을 조정해 주는 진공 펌프(15), 상기 RFI 코일(34)에 RF 파워를 전기적 매칭 수단인 정합부(32)를 통하여 공급해 주는 RF 공급부(30), 상기 기판(38)의 후면에 상기 챔버(10)와 전기적으로 절연되어 설치되는 DC 양극부(38), 상기 DC 양극부(38)에 DC 전압을 공급하는 DC 공급부(36)로 구성된다.As shown in FIG. 1, the ion plating system using the inductively coupled plasma according to the present invention is installed at the bottom of the chamber 10 and the chamber 10 in which the ion plating reaction is performed to melt the sample 40 to evaporate. A substrate holder 20 on which the substrate 44 on which the deposit is deposited is mounted, and installed between the evaporation table 16 and the substrate 44. RF I coil 34 to form an RF electric field, a source supply unit 42 connected to one side of the chamber 10 to supply a reaction gas, and connected to the other side of the chamber 10 of the chamber 10. Vacuum pump 15 for adjusting the pressure, RF supply unit for supplying RF power to the RFI coil 34 through the matching unit 32 which is an electrical matching means, the chamber on the back of the substrate 38 DC anode portion 38 that is electrically insulated from (10) and installed, DC voltage to the DC anode portion 38 It consists of a DC supply unit 36 for supply.

본 발명에서는 상기 증발대(16)에 용융되는 금속은 크롬(Cr)을 이용하며, 상기 소스 공급부(42)를 통하여 공급되는 가스는 아르곤(Ar)과 반응 가스인 질소(N2) 가스이며, 상기 크롬(Cr)과 질소 가스의 화합물에 의한 질화크롬(CrN)을 상기 기판(44)에 증착하였다.In the present invention, the metal melted on the evaporation zone 16 uses chromium (Cr), and the gas supplied through the source supply part 42 is argon (Ar) and nitrogen (N 2 ) gas, which is a reaction gas. Chromium nitride (CrN) by a compound of chromium (Cr) and nitrogen gas was deposited on the substrate 44.

상기 크롬(Cr)은 순도 99.95%이며, 상기 아르곤(Ar)은 순도 99.999 %이고, 상기 질소 가스(N2)는 순도 99.999%이다.The chromium (Cr) is 99.95% pure, the argon (Ar) is 99.999% pure, and the nitrogen gas (N 2 ) is 99.999% pure.

상기 기판(44)과 챔버(10)는 전기적으로 접지 처리되었으며, 상기 증발대(16)와 기판(44)간의 거리를 대략 10㎝로 유지하고, 상기 기판(44)과 RFI 코일(34)간의 거리는 약 4cm내외이며, 상기 RFI 코일(34) 자체의 피치 거리는 약 3cm이다. 한편, 상기 증발대(16)는 교류 전원을 인가 받아 발열되어 상기 크롬 시료를 용융시켜서 증발시킨다.The substrate 44 and the chamber 10 are electrically grounded, and maintain a distance of approximately 10 cm between the evaporation zone 16 and the substrate 44 and between the substrate 44 and the RFI coil 34. The distance is about 4 cm and the pitch distance of the RFI coil 34 itself is about 3 cm. On the other hand, the evaporator 16 is generated by receiving an alternating current power to evaporate the chromium sample by melting.

상기 기판(44)과 RFI 코일(34)간의 거리와 상기 RFI 코일(34)과 증발대(16)간의 거리는 각각 3cm 이상으로 하는데, 더 가까울 경우는 두 부분간의 아크 발생으로 안정적인 공정이 어려워진다.The distance between the substrate 44 and the RFI coil 34 and the distance between the RFI coil 34 and the evaporation zone 16 is 3 cm or more, respectively.

유도결합 플라즈마는 상기 증발대(44)와 기판(44) 사이에 형성되며 13.56 MHz의 고주파 전압을 정합부(32)에 의한 임피던스 매칭 시스템을 통하여 RFI 코일(34)에 인가하여 얻어진다.An inductively coupled plasma is formed between the evaporation zone 44 and the substrate 44 and is obtained by applying a high frequency voltage of 13.56 MHz to the RFI coil 34 through an impedance matching system by the matching section 32.

상기 RFI 코일(34)에 공급되는 RF 파워의 주파수는 유도결합 플라즈마를 쉽게 띄울 수 있고, 상업적으로 RF 파워 발생장치를 쉽게 구할 수 있는 13.56MHz를 사용하며, RFI 코일(34)에 인가되는 RF 파워의 전압은 상기 RF 코일(34)의 모양이나 챔버의 구조, 정합부에 따라 다르게 걸리므로 각 구성 요소에 따라 최적의 조건을 가지는 전압 및 파워를 선택하여 인가한다.The frequency of the RF power supplied to the RFI coil 34 uses 13.56 MHz, which can easily float an inductively coupled plasma and commercially obtain an RF power generator, and the RF power applied to the RFI coil 34. Since the voltage of the RF coil 34 varies depending on the shape of the chamber, the structure of the chamber, and the matching part, voltage and power having optimal conditions are selected and applied according to each component.

RFI 코일(34)은 전기 전도성과 열 전도성이 우수한 구리관을 대략 17cm의 직경으로 두 번 감아서 챔버(10) 내에 삽입한 것으로, 증착 중 RFI 코일(34) 내부로 냉각수가 공급되어 냉각된다.The RFI coil 34 is inserted into the chamber 10 by winding a copper tube having excellent electrical conductivity and thermal conductivity twice to a diameter of approximately 17 cm. The cooling water is supplied into the RFI coil 34 during deposition and cooled.

그리고 잔류가스의 영향을 최소화하기 위하여 챔버(10) 내의 압력을 1×10-6Torr 이하로 한 후, 아르곤과 반응 가스인 질소 가스를 공급하여 공정 압력을 1×10-2Torr부터 1×10-3Torr로 하는데, 압력이 너무 낮을 경우는 입자들의 수가 너무 적어 전자 충돌에 의한 이온화율이 낮고, 압력이 너무 높을 경우는 입자들의 수가 너무 많아 전체 소스의 일부분 밖에 이온화를 시킬 수 없게 된다. 그리고 압력이 높을 경우는 입자들의 무질서한 충돌에 의한 산란으로 인하여 소스 증발량에 대한 박막의 증착 속도가 떨어지게 된다.In order to minimize the influence of the residual gas, the pressure in the chamber 10 is set to 1 × 10 -6 Torr or less, and then, argon and nitrogen gas, which is a reactive gas, are supplied to process the pressure from 1 × 10 -2 Torr to 1 × 10. At -3 Torr, if the pressure is too low, the number of particles is too small and the ionization rate due to electron collision is low. If the pressure is too high, the number of particles is too large to allow ionization only to a part of the entire source. When the pressure is high, the deposition rate of the thin film is reduced with respect to the source evaporation amount due to scattering due to disordered collision of particles.

본 발명의 실시예에서는 공정 압력을 2×10-2Torr에서 공정을 수행하였으며, 증착 속도는 16Å/s 정도로 일정하게 하였다.In the embodiment of the present invention, the process was carried out at a process pressure of 2 x 10 -2 Torr, and the deposition rate was constant at about 16 mW / s.

도 2에 유도결합 플라즈마 이온 플레이팅 장치의 RF 파워와 공정 압력에 따른 이온 밀도를 나타내었다. 이온 밀도는 RF 파워가 증가함에 따라 함께 증가하는 경향을 나타내었으며, 100W와 300W 사이에서 급격히 증가함을 알 수 있다. 일반적으로 RF 코일(34)에 의한 플라즈마 발생에서 낮은 파워에서는 CCP(Capacitively coupled plasma) 방식의 영향이 커서 파워를 플라즈마로 충분히 전달시키지 못하는 것으로 알려져 있다. RF 파워가 300W나 400W 이상에서는 플라즈마가 ICP(Inductively Coupled Plasma) 방식으로 전환되어 파워가 플라즈마로 충분히 전달됨으로써, 높은 이온 밀도를 얻을 수 있는 것이다.2 shows the ion density according to RF power and process pressure of the inductively coupled plasma ion plating apparatus. The ion density tends to increase with increasing RF power, and it can be seen that the ion density rapidly increases between 100W and 300W. In general, it is known that at low power in the plasma generation by the RF coil 34, the influence of the Capacitively Coupled Plasma (CCP) method is not sufficient to transfer power to the plasma sufficiently. When the RF power is 300 W or 400 W or more, the plasma is converted into an ICP (Inductively Coupled Plasma) method, and the power is sufficiently transferred to the plasma, thereby obtaining a high ion density.

공정 압력과 이온 밀도와의 관계는 비례 관계가 성립함을 도 2를 통해서 알 수 있다. RF 파워가 300W일 때, 공정 압력이 10-2Torr 이상에서는 1011/㎤ 이상의 높은 이온 밀도를 보여주고 있다. 이를 통해서 10-2Torr 이상의 압력과 플라즈마가 ICP 방식으로 형성될 수 있는 충분한 RF 파워가 공급되는 공정 조건에서 우수한 박막을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.It can be seen from FIG. 2 that the relation between the process pressure and the ion density holds. When the RF power is 300W, it shows a high ion density of 10 11 / cm 3 and above at a process pressure of 10 -2 Torr or more. This shows that excellent thin films can be obtained under process conditions in which a pressure of 10 -2 Torr or more and sufficient RF power for plasma can be formed by ICP method are supplied.

도 3은 일본 K. Kasiwagi가 RF-RIP 장치를 이용하여 증착한 Cr-N 박막의 증착 속도에 따른 XRD 회절 패턴을 보여주고 있다. 도 2에서 볼 수 있듯이 증착 속도가 12Å/s, 18Å/s와 같이 높을 경우는 박막이 거의 Cr 상으로 구성이 되고,4Å/s, 8Å/s 정도로 증착 속도가 낮아질 경우는 Cr2N 상이 주를 이루고 있다.Figure 3 shows the XRD diffraction pattern according to the deposition rate of the Cr-N thin film deposited by K. Kasiwagi, Japan, using an RF-RIP device. As can be seen in Figure 2, when the deposition rate is high, such as 12 Å / s, 18 Å / s, the thin film is almost composed of a Cr phase, when the deposition rate is lowered to about 4 Å / s, 8 Å / s Cr 2 N phase is mainly To achieve.

이 연구에서는 공정 압력이 10-4Torr 의 낮은 상태에서 증착이 이루어져 플라즈마가 충분히 활성화되지 못하고, 충분한 반응성을 얻을 수 없어 CrN 상의 박막을 얻을 수 없었던 것으로 보인다.In this study, the deposition was performed at a low process pressure of 10 -4 Torr, indicating that the plasma could not be sufficiently activated and sufficient reactivity could not be obtained to obtain a thin film of CrN.

도 4는 본 발명에 따라 증착한 20mTorr 정도의 높은 압력 공정에서 RF 파워에 따른 Cr-N 박막의 XRD 회절 패턴을 보여주고 있다. 앞의 플라즈마 분석 결과에서도 보았듯이 플라즈마가 ICP 방식으로 전환되어 충분히 활성화되는 400W 이상에서는 상이 거의 CrN으로 구성되어 있는 것을 볼 수 있다. 위의 결과는 16Å/s 의 높은 증착속도에서 얻어진 것이기 때문에 현재까지의 다른 증착 공정에 비해서 대단한 결과라 할 수 있을 것이다.Figure 4 shows the XRD diffraction pattern of the Cr-N thin film according to the RF power in a high pressure process of about 20mTorr deposited according to the present invention. As shown in the previous plasma analysis results, it can be seen that the phase is almost made of CrN at 400W or more when the plasma is converted to ICP and sufficiently activated. Since the above results are obtained at a high deposition rate of 16 kW / s, this is a great result compared to other deposition processes to date.

도 5는 기존의 RF-RIP 장치를 이용하여 제조한 Cr-N 박막의 경도를 보여 주고 있다. 증착 속도가 낮을 경우 2000kg/mm2정도의 값을 보여주고 있고, 높을 경우는 상이 거의 Cr 상으로 구성되기 때문에 1200∼1400 kg/mm2정도의 낮은 값을 보여주고 있다.Figure 5 shows the hardness of the Cr-N thin film prepared using a conventional RF-RIP device. When the deposition rate is low, the value is about 2000kg / mm 2 , and when it is high, the phase is almost composed of Cr phase, and thus the value is about 1200-1400 kg / mm 2 .

도 6은 본 발명에 따라 RF 코일(34)에 인가하는 RF 파워에 따른 Cr-N 박막의 경도 변화를 나타낸 것이다. Cr-N의 경도는 RF 파워가 증가할수록 높아지며 200W와 400W 사이에서 경도가 1000kg/mm2정도에서 3500kg/mm2정도로 급격히 증가하는 특성을 보인다. 3500 kg/mm2이상의 경도는 문헌상에 보고 되어 있는 CrN의 경도와 비교하여 볼 때 매우 높은 값이며, 특히 16Å/s의 매우 높은 증착 속도에서와 기판(44) 가열이 없이 이루어진 점을 고려할 때, 매우 우수한 값이라고 할 수 있다.Figure 6 shows the change in hardness of the Cr-N thin film according to the RF power applied to the RF coil 34 in accordance with the present invention. The hardness of Cr-N increases with increasing RF power, and the hardness rapidly increases between 1000kg / mm 2 and 3500kg / mm 2 between 200W and 400W. The hardness of 3500 kg / mm 2 or more is very high compared to the hardness of CrN reported in the literature, especially given the very high deposition rate of 16 kW / s and without the substrate 44 heating, It is a very good value.

일반적인 증발법이나 다른 방법으로 증착된 CrN의 경우 경도가 대부분 3000kg/mm2이하의 값으로 보고되고 있다.In the case of CrN deposited by general evaporation or other methods, hardness is reported to be less than 3000kg / mm 2 .

도 7에 본 발명에 따라 ICP 이온 플레이팅으로 제조한 Cr-N 박막의 표면 사진을 나타내었다. RF 파워가 증가함에 따라 박막의 미세 조직이 변화하는 것을 볼 수 있다. 특히 200W와 400W 사이에서 조직이 치밀하게 변화하는 것이 관찰되었다.Figure 7 shows the surface photograph of the Cr-N thin film prepared by ICP ion plating according to the present invention. It can be seen that the microstructure of the thin film changes as the RF power increases. Particular changes in tissue were observed, particularly between 200W and 400W.

도 8에는 본 발명에 따라 ICP 이온 플레이팅으로 제조한 Cr-N 박막의 단면 사진을 나타내었다. 박막의 단면 조직 사진 관찰 결과도 표면 조직과 마찬가지로 RF 파워가 증가함에 따라 박막의 조직이 치밀하고 미세하게 변화하는 것을 볼 수 있다. 특히 400W에서는 그 이하의 파워에서와는 달리 주상정 조직이 사라지고 조직이 치밀하게 변화하는 것이 관찰되었다. 이러한 양상은 도 2에서 보였듯이 400W 이상에서 플라즈마가 안정적으로 활성화 된 결과라고 여겨진다.8 shows a cross-sectional photograph of a Cr-N thin film prepared by ICP ion plating according to the present invention. As a result of observation of the cross-sectional structure photograph of the thin film, the structure of the thin film can be seen to be dense and finely changed as the RF power increases. In particular, at 400W, the columnar tissue disappeared and the tissue was changed drastically, unlike at powers lower than that. This aspect is considered to be the result of the stable activation of the plasma above 400W as shown in FIG.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명은 유도결합 플라즈마를 이용한 이온 플레이팅 시스템을 이용하여 내식 및 내마모 보호 코팅으로 많이 사용되는 Cr-N을 박막을 제조하였으며, 플라즈마 분석을 통한 효율적인 증착 공정을 개발함으로써 16Å/s 의 높은 증착속도에서도 기존의 공정을 사용하여 제조한 Cr-N 박막과 비교해보다 우수한 3500kg/mm2이상의 높은 경도와 화학 반응성을 얻을 수 있었다. 위 공정을 이용하여 내식 및 내마모 코팅을 공구, 금형, 다이 등에 증착하면 제품의 생산성 및 수명을 현격히 연장시켜 주는 효과를 제공할 수 있을 것이다.According to the present invention made as described above, a thin film of Cr-N, which is widely used as an anticorrosion and abrasion protection coating, was prepared by using an ion plating system using an inductively coupled plasma. Even at a high deposition rate of / s, higher hardness and chemical reactivity than 3500kg / mm 2 can be obtained compared to Cr-N thin films manufactured using conventional processes. Deposition of corrosion and abrasion resistant coatings to tools, molds, dies, etc. using the above process will provide a prolonged product productivity and lifespan.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.In the above, the present invention has been illustrated and described with reference to specific preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments and the general knowledge in the technical field to which the present invention pertains without departing from the spirit of the present invention. Various changes and modifications will be made by those who possess.

Claims (10)

일측에 진공 형성을 위한 진공 수단이 연결되고, 타측에 플라즈마 형성을 위한 소스가 공급되는 챔버;A chamber to which a vacuum means for vacuum formation is connected at one side and a source for plasma formation is supplied to the other side; 상기 챔버에 연결되어 플라즈마 형성을 위한 적어도 1 종류의 소스를 공급해 주는 적어도 1의 소스 공급부;At least one source supply unit connected to the chamber to supply at least one type of source for plasma formation; 상기 챔버의 일단에 설치되어 시료를 증발시켜 주는 증발 수단;Evaporation means installed at one end of the chamber to evaporate the sample; 상기 챔버 내에서 상기 증발 수단의 반대편에 설치되어 기판이 장착되는 기판 홀더;A substrate holder mounted on the opposite side of the evaporation means in the chamber to mount a substrate; 상기 증발 수단과 기판 사이에 설치되어 상기 증발 수단에서 증발되는 시료의 흐름을 제어하는 셔터;A shutter installed between the evaporation means and the substrate to control a flow of a sample evaporated by the evaporation means; 상기 기판과 셔터 사이에 설치되어 RF 전기장을 형성하여 상기 소스 공급부를 통하여 공급되는 소스와 상기 증발 수단에서 증발된 시료를 플라즈마 상태로 변화시켜 화학적 합성을 촉진시켜 주고, 상기 기판에 대한 결합력을 높여 주는 RFI 코일;It is installed between the substrate and the shutter to form an RF electric field to change the source and the sample evaporated by the evaporation means supplied through the source supply to the plasma state to promote chemical synthesis and to increase the binding force to the substrate RFI coils; 상기 RFI 코일에 RF 파워를 공급해 주는 RF 공급부;An RF supply unit supplying RF power to the RFI coil; 상기 기판의 후면에 분리 설치되고 DC의 양극이 연결되어 상기 기판의 후면을 음전하로 대전시켜 주는 DC 양극부;A DC anode unit which is separately installed on a rear surface of the substrate and connected to a DC anode to charge the rear surface of the substrate to a negative charge; 상기 DC 양극부에 DC 전압을 공급해 주는 DC 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마를 이용한 이온 플레이팅 시스템.And a DC supply unit for supplying a DC voltage to the DC anode unit. 제 1항에 있어서, 상기 챔버는 잔류가스의 영향을 최소화하기 위하여 초기 압력을 1×10-6Torr 이하로 한 후에 상기 소스 공급부를 이용하여 불활성 가스와 반응 가스를 공급하여 공정 압력을 1×10-2Torr ∼ 1×10-3Torr로 유지되는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마를 이용한 이온 플레이팅 시스템.The method of claim 1, wherein the chamber is set to an initial pressure of 1 × 10 -6 Torr or less in order to minimize the influence of residual gas, and then the inert gas and the reactive gas are supplied using the source supply unit so that the process pressure is 1 × 10. Ion plating system using an inductively coupled plasma, characterized in that it is maintained at -2 Torr ~ 1 × 10 -3 Torr. 제 1항에 있어서, 상기 증발 수단에 놓이는 시료는 상기 소스 공급부를 통하여 공급되는 반응 가스와 화학적으로 결합되는 금속인 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마를 이용한 이온 플레이팅 시스템.The ion plating system using an inductively coupled plasma according to claim 1, wherein the sample placed on the evaporation means is a metal chemically bonded to the reaction gas supplied through the source supply unit. 제 1항에 있어서, 상기 소스 공급부를 통하여 공급되는 반응 가스는 상기 시료와 화학적으로 결합되는 가스인 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마를 이용한 이온 플레이팅 시스템.The ion plating system of claim 1, wherein the reaction gas supplied through the source supply unit is a gas chemically bonded to the sample. 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 상기 금속은 크롬이고, 상기 가스는 질소인 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마를 이용한 이온 플레이팅 시스템.5. The ion plating system according to claim 3 or 4, wherein the metal is chromium and the gas is nitrogen. 제 1항에 있어서, 상기 챔버와 기판은 전기적으로 접지되는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마를 이용한 이온플레이팅 시스템.The ion plating system of claim 1, wherein the chamber and the substrate are electrically grounded. 제 1항에 있어서, 상기 시료와 소스를 이용한 기판에 대한 증착 속도는 16 Å/s인 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마를 이용한 이온 플레이팅 시스템.The ion plating system of claim 1, wherein the deposition rate of the substrate using the sample and the source is 16 μs / s. 제 1항에 있어서, 상기 기판과 RFI 코일간과 상기 RFI 코일과 증발 수단간의 거리는 각각 3cm 이상으로 유지되는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마를 이용한 이온 플레이팅 시스템.The ion plating system of claim 1, wherein a distance between the substrate and the RFI coil and the RFI coil and the evaporation means is maintained at 3 cm or more, respectively. 제 1항에 있어서, 상기 증발 수단은 교류 전원이 인가되어 발열하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마를 이용한 이온 플레이팅 시스템.The ion plating system using inductively coupled plasma according to claim 1, wherein the evaporation means generates heat by applying AC power. 제 1항에 있어서, 상기 RFI 코일은 냉각을 위한 냉매가 통과하는 튜브로 이루어지고, 냉매를 공급하는 냉매 공급 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합 플라즈마를 이용한 이온 플레이팅 시스템.The ion plating system of claim 1, wherein the RFI coil is formed of a tube through which a refrigerant for cooling passes, and further includes refrigerant supply means for supplying the refrigerant.
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