KR100800223B1 - 아크 이온 도금장치 - Google Patents

Abstract

아크 이온 도금장치는 진공 챔버와, 그 높이 방향에 수직하게 진공 챔버 내에서 기판을 이동시키기 위한 회전 테이블과, 금속 이온으로 기판의 표면을 세척하기 위한 충돌용 아크 증발원과, 기판의 표면에 금속 이온을 증착하기 위한 증착용 아크 증발원 그룹을 포함한다. 증착용 아크 증발원 그룹은 회전 테이블 상에 설정된 기판에 대향되도록 배열된 복수의 증발원으로 구성되고 충돌용 아크 증발원은 기판에 대향되도록 배열되어 진공 챔버의 높이 방향 길이가 증착용 아크 증발원 그룹의 상하 단부 사이의 길이에 동일하도록 형성된다. 이런 구조에 따르면, 과잉 온도 상승 또는 비정상 방전이 충돌시 기판에 거의 일어나지 않으며, 그 결과 공정 제어 성능이 개선된다.

아크 이온 도금장치, 진공 챔버, 회전 테이블, 충돌용 아크 증발원, 증착용 아크 증발원 그룹

Description

아크 이온 도금장치 {ARC ION PLATING APPARATUS}

도1a 및 도1b는 본 발명의 제1 실시예에 따르는 AIP 장치를 개략적으로 도시한 것으로, 도1a는 진공 챔버의 수직 측단면도이고 도1b는 도1a의 화살표 방향 A에서 본 평면도.

도2a 및 도2b는 본 발명의 제2 실시예에 따르는 AIP 장치를 개략적으로 도시한 것으로, 도2a는 진공 챔버의 수직 측단면도이고 도2b는 도2a의 화살표 방향 A에서 본 평면도.

도3a 및 도3b는 본 발명의 제3 실시예에 따르는 AIP 장치를 개략적으로 도시한 것으로, 도3a는 진공 챔버의 수직 측단면도이고 도3b는 도3a의 화살표 방향 A에서 본 평면도.

도4a 및 도4b는 본 발명의 제4 실시예에 따르는 AIP 장치를 개략적으로 도시한 것으로, 도4a는 진공 챔버의 수직 측단면도이고 도4b는 도4a의 화살표 방향 A에서 본 평면도.

도5는 본 발명의 제5 실시예에 따르는 AIP 장치를 개략적으로 도시한 것으로 진공 챔버의 수직 측단면도.

도6은 평면도에서 직사각 형상을 갖는 충돌용 아크 증발원의 사시도.

도7은 평면도에서 경주 트랙 형상을 갖는 충돌용 아크 증발원의 사시도.

도8a 및 도8b는 전자식 코일이 마련된 충돌용 아크 증발원을 도시한 것으로서, 도8a는 충돌용 아크 증발원의 정면도이고 도8b는 도8a의 라인 A-A을 따라 취한 단면도.

도9a 및 도9b는 전자식 코일과 원통형 타겟이 마련된 충돌용 아크 증발원을 도시한 것으로서, 도9a는 충돌용 아크 증발원의 정면도이고 도9b는 도9a의 라인 A-A을 따라 취한 단면도.

도10a 및 도10b는 종래의 AIP 장치를 개략적으로 도시한 것으로서, 도10a는 진공 챔버의 수직 측단면도이고 도10b는 도10a의 화살표 방향 A으로 본 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 진공 챔버

2: 회전 테이블

3: 회전 샤프트

4: 유성 샤프트

5: 기판 홀더

7: 증착용 아크 증발원 그룹

9: 충돌용 아크 증발원 그룹

8, 10: 아크 전압부

본 발명은 금속 이온 충돌의 안정성이 개선된 아크 이온 도금장치에 관한 것이다.

최근, 절삭 공구의 내마모성을 개선하거나 기계 부품의 활주면 마찰 특성을 개선하기 위해 기판(막 증착 대상물)에는 PVD에 의한 경막 증착(TiN, TiAlN, CrN 등) 이 수행되고 있다. 이런 경막 증착에 주로 사용되는 산업 기술로는 기판 표면에 막을 형성하기 위해 진공 아크 방전에 의해 막 증착 재료를 증발시키는 아크 이온 도금법(arc ion plating)(이하, "AIP")이 있으며, 이런 막 증착을 수행하기 위한 장치를 아크 이온 도금장치(이하, "AIP 장치")라 한다.

도10a 및 도10b에 도시된 바와 같이, AIP 장치는 진공 챔버(1)와, 진공 챔버(1)의 바닥에 테이블의 상부면이 수평으로 배치된 회전 테이블(2)을 포함한다. 회전 테이블(2)은 회전 샤프트(3)에 의해 회전되며, 회전 테이블(2)의 상부면에서 돌출된 복수의 유성 샤프트(4)도 그 축을 중심으로 회전 테이블(2) 내에 마련된 유성 기어 기구에 의해 회전한다. 기판을 유지하기 위한 기판 홀더(5)가 각각의 유성 샤프트(4)에 착탈식으로 장착된다. 따라서, 각각의 기판 홀더(5)는 회전 테이블(2)의 회전에 의해 수형으로 운동함과 동시에 자신의 축을 중심으로 회전하며, 이런 기판 홀더(5)에 의해 유지되는 공구, 다이 또는 기계 부품과 같은 기판은 회전 테이블(2)의 회전에 의해 공전하면서 기판 홀더(5)의 회전에 의해 자신의 축을 중심으로 회전한다. 회전 테이블(2)에는 바이어스 전력 공급부(미도시)로부터 음전압이 인가되어 기판 홀더(5)를 거쳐 그 위에 적재된 기판으로 인가된다.

진공 챔버(1)의 측벽 내면 상에는 진공 챔버(1)의 높이 방향으로 사실상 일 정한 간격을 두고 일렬 배열된 세 개의 증발원(7A)으로 구성된 증착용 아크 증발원 그룹(7)이 마련되고 각각의 아크 증발원(7A)은 그 양극이 진공 챔버(1)에 연결되어 있는 아크 전력 공급부(8)의 음극에 연결된다. 도10b에서, 도면 부호 21은 진공 챔버를 배기시키기 위한 펌핑 포트를 지시하고, 도면 부호 22는 질소 또는 산소와 같은 공정 가스를 공급하기 위한 가스 공급관(도10a는 생략)을 지시하고, 도면 부호 23은 진공 챔버의 개폐 도어를 지시한다.

이하, AIP 장치를 사용하여 기판 표면에 기능성 막을 형성하기 위한 절차를 간단히 설명한다. 기판이 기판 홀더(5) 상에 적재되어 회전 테이블(2) 상에 설정되고, 진공 챔버(1)가 배기된 후, 기판은 진공 챔버(1) 내에 마련된 히터(미도시)에 의해 가열되고, 뒤이어 형성하고자 하는 막의 밀착성을 개선하도록 금속 이온 충돌(이하, 간단히 "충돌"이라 함)이 수행된다. 충돌은 증발원(7A)에서 증발된 금속 이온을 이용하여 수백 V(일반적으로 600 내지 1000 V) 이상의 음전압이 인가된 기판을 조사하여 고에너지 이온 조사에 의해 기판의 표면층을 에칭하거나 조사 이온 및 기판의 혼합층을 형성하는 공정이다.

충돌이 종료된 후, 금속 이온의 증기가 증발원(7A)에서 생성되어 기판에 조사되고 기판에 인가될 전압이 약 0 내지 -300 V로 설정됨으로써 막 증착이 시작된다. AIP에 의해 형성될 막은 일반적으로 질소, 탄소, 산소 등을 함유하는 TiN, TiCN, CrN, TiAlN, TiC 또는 CrON과 같은 금속의 화합물로 구성되기 때문에, 질소, 산소 및 탄화수소와 같은 공정 가스는 막 증착 동안 단독으로 또는 혼합되어 진동 챔버(1) 내로 도입된다. 예컨대, Ti의 증발과 함께 질소를 도입함으로써 TiN(티탄 질화물)의 막 증착을 가져온다.

기판 홀더(5) 상에 적재된 기판은 충돌과 막 증착시 회전 테이블(2)의 회전에 의해 공전과 회전을 수행하기 때문에 전체 기판에 대해 균일한 이온 조사가 수행될 수 있다.

막 증착 후, 냉각이 수행되고 진공 챔버(1)가 개방되며, 막이 증착된 기판은 막 증착 후의 막-형성된 기판을 회복하기 위해 기판 홀더(5)에 의해 취출된다.

상술한 AIP 장치가 증착용 아크 증발원 그룹(7)을 사용하여 충돌 및 기능성 막 증착을 수행하는 반면, 일본 특허 공개 제(평)4-276062호는 진공 챔버 내에 마련되는 것으로서 이와 동일한 형상의 증착용 아크 증발원과 충돌용 아크 증발원을 포함하는 AIP 장치를 개시한다. 본 장치에 따르면, 증착용 아크 증발원을 위한 증발 재료로 저융점 금속(예컨대, TiAl 합금)을 사용하더라도 고융점 금속 또는 고질량 금속이 충돌용 아크 증발원을 위한 증발 재료로 사용될 수 있기 때문에, 저융점 금속이 낮은 이온 비율 때문에 효율적인 충돌 처리를 할 수 없게 만든다는 문제와 기판 표면에 액적이 퇴적되는 문제가 해결될 수 없다.

증발 표면의 크기에 관계없이 증착용 아크 증발원과 충돌용 아크 증발원을 안정적으로 작동시키기 위해서 최소의 아크 전류가 사용된다는 것은 주지된 사실이다. 이런 최소 전류는 증발 재료와 가스 대기에 따라 변경된다. Ti 또는 TiAl과 같은 재료가 경막 증착용 아크 증발원으로서 사용될 때, 가스가 거의 도입되지 않은 환경이나 충돌을 수행하기 위한 환경에는 적어도 약 80 A의 전류가 필요하고 이보다 낮은 전류값은 아크 방전을 불안정하게 만든다. 충돌 공정시, 금속 이온은 수백 V 이상의 음전압(일반적으로, 약 -600 내지 -1000 V)이 기판에 인가된 상태에서 증발원으로부터 생성된다. 그러나, 상술한 바와 같이 안정적인 작업을 위해 증발원에 대한 아크 전류의 하한값이 한정되기 때문에, 금속 이온의 조사량도 불가피하게 소정량에 도달한다.

따라서, 충돌시에는 다음과 같은 문제가 있다. 안정적인 아크 방전은 최소 전류값을 이용하더라도 기판에 대해 증가된 에너지 입력량을 필요로 하고, 특히 직경이 작은 드릴과 같이 작은 열용량을 갖는 기판에서 기판 온도는 급격히 증가된다. 이와 같은 과도한 온도 증가를 방지하기 위해, 공정 조건은 막간에 냉각을 수행하며 충돌을 반복하도록 충돌 시간이 짧은 시간으로 설정되도록 짧은 시간 단위로 제어되어야 한다. 따라서, 제어 성능이 열악하고 그 결과 생산성이 감소된다.

또한, 아크 증발원으로서는 직경이 50 내지 180 mm, 통상적으로 약 100 내지 150 mm인 비교적 작은 크기의 둘 이상의 증발원이 주로 이용된다. 그러나, 많은 수의 증발원을 동시에 작동시키는 것은 대용량의 바이어스 전력 공급부를 필요로 하고 금속 이온의 대량 조사 이탈을 야기하기 때문에, 기판의 과도한 온도 상승 외에도 기판 상에 비정상 방전이 자주 발생한다는 문제가 야기된다. 바이어스 전력 공급부는 비정상 방전이 발생하는 경우 출력을 일시적으로 중단하기 때문에, 비정상 방전이 짧은 시간의 충돌에 과정에 빈번히 발생할 경우 정확한 충돌 공정이 실행될 수 없게 된다.

본 발명은 상술한 문제들을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 충돌시 기판에 과도한 온도 상승이나 비정상 방전을 거의 일으키지 않음으로써 만족스러운 공정 제어 성능을 갖는 AIP 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르는 AIP 장치는 진공 챔버와, 진공 챔버 내에 적재된 기판을 이동시키기 위한 것으로 진공 챔버 내에 마련되어 기판을 진공 챔버의 높이 방향에 수직한 방향으로 이동시키는 이동 부재와, 진공 챔버 내에 마련되어 기판 표면을 세척하기 위해 아크 방전에 의해 증발된 금속 이온을 기판의 표면에 조사하기 위한 충돌용 아크 증발원과, 진공 챔버 내에 마련되어 아크 방전에 의해 증발된 금속 이온을 기판의 표면에 증착하기 위한 증착용 아크 증발원을 포함하되, 증착용 아크 증발원은 진공 챔버의 높이 방향으로 상호 중첩되지 않고 이동 부재에 설치된 기판에 대향되어 배열되는 복수의 증착용 아크 증발원으로 구성되는 증착용 아크 증발원 그룹을 구성하고 충돌용 아크 증발원은 진공 챔버의 높이 방향으로 서로 중첩되지 않고 기판에 대향되어 배열되는 적어도 하나의 아크 증발원으로 구성되는 충돌용 아크 증발원 그룹을 구성하고 충돌용 아크 증발원의 높이 방향에 수직한 방향의 길이는 증착용 아크 증발원의 높이 방향에 수직한 방향의 길이보다 길다.

이런 AIP 장치에 따르면, 진공 챔버의 수직 방향 길이는 증착용 아크 증발원의 길이보다 길기 때문에, 아크 방전의 안정성을 위해 필요한 최소 전류값에 대한 충돌용 아크 증발원의 수직 방향의 단위 길이당 금속 이온 조사량은 증착용 아크 증발원의 동일 이온 조사량에 비해 감소될 수 있다. 이에 따르면, 기판에 대한 입열량과 이에 따른 기판에서의 과도한 온도 상승 또는 비정상 방전은 충돌시 억제됨으로써 공정 제어 성능을 개선할 수 있다.

충돌용 아크 증발원의 진공 챔버의 높이 방향 길이는 바람직하게는 증착용 아크 증발원의 높이 방향 길이의 세 배보다 크거나 바람직하게는 0.5 내지 2.0 m이다.

증착용 아크 증발원으로서, 직경이 약 50 내지 180 mm, 통상적으로 약 100 내지 150 mm인 통상적으로 원형 증발면을 갖는 것이 주로 채택된다. 따라서, 증착용 아크 증발원의 길이의 세 배보다 큰 길이 또는 충돌용으로 0.5 m 이상인 길이를 갖는 증발원을 사용함으로써, 안정적인 작업을 위한 최소의 아크 전류값에서의 금속 이온 조사량은 충돌을 위해 증착용 아크 증발원을 이용하는 경우에 비해 진공 챔버의 높이 방향으로 조사 영역폭당 약 1/3로 감소될 수 있고 입열량도 동일한 수준으로 감소될 수 있다. 증발 재료(타겟)는 증발원의 길이가 2 m를 넘을 경우 제조가 어렵게 된다. 따라서, 길이는 바람직하게는 2 m 이하로 제어된다.

충돌용 아크 증발원은 바람직하게는 증발 재료로 형성된 타켓을 포함하며, 이때 타겟의 이면에는 진공 챔버의 높이 방향으로 길게 형성된 전자식 코일이 부착되어 있다. 이런 전자식 코일은 증발면의 길이 방향으로 길게 형성된 경주 트랙 형상에서 아크 스폿을 주사할 수 있도록 함으로써 충돌시 기판에 금속 이온을 균일하게 공급하게 된다. 또한, 전자식 코일은 경제적 관점에서 타겟의 증발면을 균일하게 마모시킬 수 있다.

상술한 기판으로는 작은 직경을 갖는 드릴이 적절하다. 본 발명의 AIP 장치에 따르면, 절단 모서리의 연화에 의해 발생할 수 있는 절단 파괴가 방지될 수 있으며 만족스러운 절단 성능이 보장될 수 있다.

본 발명의 AIP 장치에 따르면, 아크 방전의 안정성을 위해 필요한 최소 전류값에 대한 충돌용 아크 증발원의 수직 방향의 단위 길이당 금속 이온 조사량은 증착용 아크 증발원의 동일 이온 조사량에 비해 감소될 수 있다. 따라서, 기판에 대한 입열량과 이에 따른 기판에서의 과도한 온도 상승 또는 비정상 방전은 충돌시 억제되어 공정 제어 성능을 개선할 수 있다.

또한, 보다 중요한 관점에서, 본 발명에 따르는 문제 해결 수단은 하나의 충돌용 아크 증발원의 면적을 하나의 증착용 아크 증발원의 면적보다 크게 설정하는 것이다. 이런 구조는 증착용 아크 증발원에 의한 기판의 단위 면적당 금속 이온 조사량에 비해 충돌용 아크 증발원에 의한 기판의 단위 면적당 금속 이온 조사량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 기판에 대한 입열량과 이에 따른 기판에서의 과도한 온도 상승이나 비정상 방전은 아크 방전의 안정성을 위해 필요한 최소 전류값이 비교적 큰 충돌시 억제될 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 AIP 장치의 실시예들에 대해 설명한다.

도1a 및 도1b는 제1 실시예에 따르는 AIP 장치를 도시한 도면들로서 도10a 및 도10b에 도시된 종래의 AIP 장치에서와 동일 부재에 대하여는 동일한 인용 부호가 사용된다.

AIP 장치는 진공 챔버(1)를 포함하며, 진공 챔버(1)의 바닥에는 테이블 상부면이 수평하도록 (본 발명의 "이동 부재"에 대응하는) 회전 테이블(2)이 마련된다. 회전 테이블(2)은 그 중심축이 진공 챔버(1)의 높이 방향(소위, "종방향")을 따라 배열된 회전 샤프트(3)에 의해 회전되고 회전 테이블(2)의 상부면에서 돌출된 유성 샤프트(4)들이 회전 테이블(2) 내에서 마련된 유성 기어 기구에 의해 그 자신의 축을 중심으로 회전하도록 구성된다. 기판을 유지하기 위한 기판 홀더(5)가 각각의 유성 샤프트(4)에 착탈식으로 장착된다. 따라서, 각각의 기판 홀더(5)는 회전 테이블(2)의 회전에 의해 길이 방향(소위, "측방향")에 대해 수직 방향으로 수평 이동함과 동시에 그 자신의 축을 중심으로 회전하며, 기판은 테이블(2)의 회전에 의해 공전을 하는 동안 기판 홀더(5)에 의해 유지된다. 회전 테이블(2)에는 바이어스 전력 공급부(미도시)에 의해 음전압이 인가되어 기판 홀더(5)를 거쳐 그 위에 적재된 기판으로 인가된다. 회전 테이블(2)에는 기판 홀더를 회전시키기 않도록 유성 기어 기구가 마련되지 않을 수 있거나 기판 홀더를 이용하지 않고 회전 테이블 상에 기판을 직접 설정하도록 구성될 수도 있다.

진공 챔버(1)의 측벽 내면 상에는 증착용 아크 증발원 그룹(7)으로서 복수(도면에서는 세 개)의 증발원(7A)이 진공 챔버(1)의 높이 방향으로 사실상 일정한 간격을 두고 배열된다. 한편, 증착용 아크 증발원 그룹(7)에 대향하는 진공 챔버(1)의 측벽 내면 상에는 평면도에서 직사각형 형상을 갖는 하나의 증발원(9A)이 충돌용 아크 증발원 그룹(9)으로서 배열된다. 증발원(7A, 9A)들은 각각 그 양극이 진공 챔버(1)에 연결된 아크 전압부(8, 10)의 음극에 연결된다. 다르게는, 음극 부재가 증발원(7A, 9A)의 근처에 마련되어 아크 전압 공급부의 양극을 이에 연결한다.

증착용 아크 증발원 그룹(7)의 증발원(7A)으로는 직경이 약 φ50 내지 180 mm 범위, 통상적으로 약 φ100 내지 150 mm에 있는 원형 증발면을 갖는 것들이 주로 사용된다. 증발원으로부터 증발된 금속 이온 증기는 확산이 약하다는 것을 고려하면, 증발원(7A)들은 증발 영역 직경의 약 1.5 내지 2.5배의 간격을 두고 배열된다. 진공 아크 방전은 증발원(7A)에 부착된 타겟(증발 재료)을 증발시키기 위해 일반적으로 50 내지 300 A, 보다 일반적으로 약 80 내지 150 A인 아크 전류와 약 15 내지 40 V인 아크 전압으로 증발원(7A)에서 생성됨으로써 금속 이온이 조사되어 기판에 증착된다.

한편, 충돌용 아크 증발원 그룹(9)으로서 사용되는 증발원(9A)은 평면도에서 볼 때 도6에 도시된 바와 같이 장측이 종방향으로 배열되고 단측이 측방향으로 배열된 직사각형 형상을 갖고 증발 재료인 타겟(T)의 증발면도 평면도에서 볼 때 직사각형 형상을 갖는다. 증발원(9A)은 증착용 아크 증발원 그룹(7)의 복수의 증발원(7A)에 의해 처리될 수 있는 종방향 금속 이온 조사 영역에서 충돌 금속 이온이 하나의 증발원(9A)에 의해 공급되도록 구성된다. 증발원(9A)은 진공 챔버(1) 내에서 기판에 대향하여 배열되고 그 장측의 상하 단부는 각각 증착용 아크 증발원 그룹(7)의 상부 증발원(7A)의 상단부와 바닥부 증발원(7A)의 하단부에 대응하는 위치에 위치된다. 증발원(9A)의 측방향(단측) 길이는 증발원(7A)의 직경과 사실상 동일하다. 충돌용 아크 증발원(9A)을 작동시키기 위한 아크 전류 영역은 증착용 아크 증발원 그룹(7)의 각 증발원(7A)의 아크 전류 영역과 동일한 범위로 설정된다. 이에 따르면, 기판에 조사될 단위 면적당 금속 이온양은 약 1/3로 저감될 수 있고, 따라서 충돌시 기판 표면에 대한 단위 시간 및 단위 면적당 입열량은 약 1/3로 억제될 수 있다.

충돌시 아크 방전 전류는 바람직하게는 하나의 아크 스폿이 균일 충돌을 보장하기 위한 목적으로 주로 타겟 표면 상에서 생성되도록 설정되고, 바람직하게는 일반적으로 150 A 이하, 보다 바람직하게는 120 A 이하에서 유지된다. 한편, 충돌 과정에서 아크의 점화 불발은 아크 방전의 안정성이라는 측면에서 바람직하지 않기 때문에, 아크 전류는 바람직하게는 아크 방전이 안정화되는 80 A 이상으로 설정된다.

본 실시예의 AIP 장치는 충돌용 아크 증발원 그룹(9)을 사용하여 충돌을 실행한다는 점을 제외하고는 종래의 장치와 동일한 방식으로 사용된다. 즉, 기판이 적재된 기판 홀더(5)가 회전 테이블(2) 상에 설정되고 진공 챔버(1)가 배기된 후, 기판이 진공 챔버(1) 내에 마련된 히터에 의해 가열되고 충돌이 충돌용 아크 증발원 그룹(9)을 사용하여 수행되고 증착용 아크 증발원 그룹(7)을 사용하여 기판 표면에 기능성 막이 형성된다.

종방향 길이가 증착용 아크 증발원의 종방향 길이보다 길게 형성된 충돌용 아크 증발원(9A)이 본 실시예의 AIP 장치에 사용되기 때문에, 충돌시 기판 온도의 갑작스런 상승은 억제될 수 있으며 종래에 문제가 되었던 것으로서 특히 열용량이 작은 기판에서의 과열 등은 해결될 수 있다. 충돌 처리는 하나의 증발원(9A)을 이용하여 수행될 수 있기 때문에, 바이어스 전력 공급부의 용량은 최소화될 수 있다. 또한, 비정상 방전의 빈도는 기판 근처에서 이온 밀도의 저감으로 인해 감소된다. 또한, 동일한 충돌 효과를 얻기 위해 필요한 충돌 시간은 수 배로 연장되기 때문에, 조건 설정 시간은 제어 성능을 개선하도록 연장되고 비정상 방전시 바이어스 전압의 중단 기간의 영향은 상대적으로 감소된다.

상술한 실시예에서와 같이, 충돌시 기판의 과열을 방지하기 위해서는 하나의 충돌용 아크 증발원에 의해 처리될 종방향 금속 이온 조사 영역폭이 400 mm 이상, 보다 바람직하게는 500 mm 이상으로 설정되는 것이 효과적이다. 이는 본 발명의 실험적 지식에 기초한 것으로 다음의 설명과도 일치한다. 즉, 최대 -300 V의 값으로 막 증착용 바이어스 전압을 설정하는 이유 중 하나는 기판의 과열 방지이다. 직경이 φ 100 mm인 증발원에서의 막 증착용 아크 전류값은 100 내지 200 A, 통상적으로 150 A이다. 즉, 세 개의 증발원이 300 V의 바이어스 전압과 150 A의 아크 전류로 작동되어 종방향 조사 영역폭을 500 mm로 하여 금속 이온을 조사한다. 충돌 공정에서, 증발원들은 기판에 -600 내지 -1,000 V의 바이어스 전압을 인가하기 위해 아크 전류의 하한값을 고려하여 80 내지 120 A, 통상적으로 100 A의 아크 전류로 작동된다. 막 증착시와 동일한 방식으로 최대 전압이 사용될 때, 금속 충돌에는 100 A의 아크 전류와 1000 V의 바이어스 전압이 통상적인 조건이다.

순간 입열량으로서 (아크 전류)×(증발원의 수)×(바이어스 전압)÷(종방향 조사 영역폭)을 고려하면, 충돌시의 이 값이 막 증착시 최대값(150A×3×300V/500mm)과 동일한 충돌을 위한 조사 영역폭은 계산에 의해 370 mm로 결정될 수 있다. 즉, 충돌시 처리 영역폭을 이런 조사 영역폭 이상으로 확장하면 과열 위험을 감소시키게 되고, 비록 이는 대략적인 실험에 기초한 것이기는 하지만 상술한 실험 지식과 일치한다.

종방향으로 긴 조사 영역폭을 갖는 증발원(9A)은 종방향 조사 영역폭보다 약 100 mm만큼 긴 증발면을 필요로 하기 때문에 충돌용 아크 증발원(9A)의 종방향(장측) 길이는 500 mm 이상, 보다 바람직하게는 600 mm 이상으로 적절히 설정된다. 한편, 증발원의 길이는 타겟의 제조 범위 내에 있어야 하기 때문에 증발원의 최대 길이를 약 2 m 이하로 설정하는 것이 적절하다. 조사 영역폭이 과도하게 증가될 경우 충돌 처리 시간이 연장되기 때문에 충돌용 아크 증발원 그룹에서의 조사 영역폭은 바람직하게는 약 1.2 m 이하로 설정된다. 이보다 큰 조사 영역폭이 필요할 경우, 복수의 충돌용 아크 증발원이 종방향으로 병렬 배치되어 충돌용 아크 증발원 그룹으로 사용될 수 있다.

이하 도2a 및 도2b를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따르는 AIP 장치에 대해 간단히 설명한다. 제2 실시예뿐만 아니라 이하에 설명되는 다른 실시예에서, 제1 실시예의 AIP 장치에서와 동일한 부재에 대하여는 동일 인용 부호가 사용된다.

제1 실시예에 따르는 AIP 장치에 비해, 본 AIP 장치에서는 각각 수직하게 병렬 배치된 세 개의 증발원(7A)으로 구성되는 두 개의 증발원 그룹 라인이 진공 챔버의 원주 방향으로 90도의 거리에 마련된다. 본 실시예에서, 막 증착은 두 개의 증발원 그룹 라인을 사용하여 수행되기 때문에 제1 실시예의 AIP 장치에 비해 두 배의 막 증착율이 구현될 수 있다. 충돌은 제1 실시예와 유사하게 하나의 직사각형 증발원(9A)을 사용하여 수행되기 때문에 과열과 같은 문제는 충돌 공정에서 야기되지 않는다. 서로 다른 재료로 된 타겟이 증착용 아크 증발원 그룹(7)의 각 라 인의 증발원(7A)에 부착됨으로써 두 종류의 막으로 구성되는 다층막 증착이 수행될 수 있다.

이하 도3a 및 도3b를 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따르는 AIP 장치에 대해 간단히 설명한다. 비록 제1 및 제2 실시예에 따른 AIP 장치에서 증착용 아크 증발원 그룹(7)의 증발원(7A)들은 종방향으로 일렬 배치되지만, 본 AIP 장치에서와 같이 증발원(7A)들은 일렬 배치될 필요가 없고 계단 방향으로 종방향 위치를 변경하며 진공 챔버(1)의 원주 방향으로 배열될 수 있다. 증착용 아크 증발원 그룹(7)을 이와 같이 배치하더라도 진공 챔버(1) 내에서 회전 테이블(2)의 회전과 기판 홀더(5)의 회전에 의해 기판 표면의 균일한 피복이 구현될 수 있다.

이하 도4a 및 도4b를 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따르는 AIP 장치에 대해 간단히 설명한다. 본 AIP 장치는 제3 실시예의 AIP 장치와 마찬가지로 증착용 아크 증발원으로서 각각의 라인이 진공 챔버의 원주방향으로 마련되는 증발원(7A)의 세 개의 종방향 스테이지로 구성되는 두 라인의 증발원 그룹을 포함하지만, 각 라인의 증발원(7A)은 증발원(7A)의 장착 공간의 1/2만큼 종방향 위치를 변경하며 배열된다. 이에 따르면, 보다 높은 균일성을 갖는 피복이 얻어질 수 있다.

이하 도5를 참조하여 본 발명의 제5 실시예에 따르는 AIP 장치에 대해 간단히 설명한다. 본 AIP 장치는 증착용 아크 증발원 그룹(7)과 충돌용 아크 증발원 그룹(9)이 원주방향으로 배치되어 있다는 점에서 제1 실시예의 AIP 장치와 동일하다. 그러나, 증착용 아크 증발원 그룹(7)은 여섯 개의 증발원(7A)으로 구성되고 충돌용 아크 증발원 그룹(9)은 두 개의 증발원(9A)으로 구성된다. 이런 구조에 따 르면, 높은 체적의 처리가 수행될 수 있고 충돌 과정에 기판에 대한 열적 부하는 종래 경우의 1/3로 감소될 수 있다.

충돌용 아크 증발원에 대한 타겟의 재료로서, 다양한 합금을 포함하는 금속이 제1 내지 제5 실시예에 사용될 수 있으며, 예컨대 Ti 또는 Cr이 재료로서 적절히 사용될 수 있다.

각각의 실시예에서, 충돌용 아크 증발원 그룹(9)의 증발원(9A)으로서 도6에 도시된 직사각형 증발원(제1 실시예의 증발원)이 사용된다. 그러나, 본 발명에서 충돌용 아크 증발원은 이에 제한되지 않으며, 예컨대 도7에 도시된 바와 같이 평면도에서 경주 트랙과 같은 외형을 갖고 평면도에서 경주 트랙과 같은 증발면을 갖는 타겟(T)을 포함하는 증발원(9B)이 사용될 수 있다. 증발원(9B)도 그 길이가 종방향(장축)을 따라 놓이도록 배열된다. 또한, 도8a 및 도8b에 도시된 바와 같이, 경주 트랙형 전자식 코일이 타겟(T)의 이면에 배열된 충돌용 아크 증발원(9C)이 채택될 수 있다. 이런 코일(C)에 의해 자기장을 생성함으로써, 증발면 상에 생성된 아크 스폿이 타겟의 증발면 상에 경주 트랙 형상으로 안내될 수 있다. 이에 따르면, 충돌용 아크 증발원으로부터 기판에 조사될 증기는 더욱 균일화될 수 있다.

또한, 도9a 및 도9b에 도시된 다른 실시예에서와 같이, 양 단부가 아크 덮개 부재(12)에 의해 밀폐된 원통형으로 형성된 타겟(T)과 도9b에 도시된 바와 같이 원통형 타겟(T)의 내측에 배열된 경주 트랙형 전자석 코일(C)을 포함하는 충돌용 아크 증발원(9D)이 채택될 수 있다. 이런 증발원(9D)에는 경주 트랙형 자기장이 전자석 코일(C)에 의해 생성됨으로써, 아크 스폿은 기판에 증기를 균일하게 조사하도 록 경주 트랙 형상으로 주사될 수 있다. 또한, 경주 트랙 형상으로 배열된 코일(C)에 대응하는 아크 스폿 주사 트랙이 기판에 대향된 위치에 보유된 상태로 원통형 타겟을 회전 가능하게 만드는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 타겟은 균일하게 마모될 수 있다.

전자석 코일을 사용하는 증발원[예컨대, 증발원(9C, 9D)]에서, 전자석 코일 대신 대응하는 형상의 자기장을 형성하는 영구 자석이 타겟 표면 상에 배열될 수 있다.

또한, 충돌용 아크 증발원으로서, 중실형 곡면 막대 형상의 타겟이 종방향으로 배열되어 사용될 수 있다. 이 경우, 양 단부로부터 증발원으로 공급될 아크 전류를 번갈아 공급하도록 상하 단부 모두에 서로 다른 아크 전력 공급부의 음극을 연결하는 것이 바람직하다. 타겟 상에 증기를 생성하기 위한 아크 스폿은 아크 전류 공급측의 단부 쪽으로 주사되는 경향이 있기 때문에, 아크 스폿은 아크 전류를 양 단부 모두로부터 증발원으로 번갈아 공급함으로써 원통형 타겟의 증발면의 전면에 걸쳐 더욱 광범위하게 주사될 수 있고, 금속 이온 증기는 기판에 균일하게 공급될 수 있다.

각각의 상술한 실시예에서, 충돌용 아크 증발원은 (진공 챔버의 높이 방향으로) 종방향 길이가 측방향 길이보다 긴 형태를 갖는다. 그 이유는 진공 챔버는 내압 구조라는 측면에서 상면이 곡면 형상을 갖기 때문에 증발원이 측방으로 연장되는 경우 증발면이 곡면으로 되어야 하는데 이는 실현성이 없기 때문이다. 이런 관점에서, 종방향으로 연장된 형상이 충돌용 아크 증발원의 증발면 영역의 증가에 실 용적이다.

본 발명은 각 실시예에서 설명된 충돌용 아크 증발원이나 증착용 아크 증발원에 제한되지 않는다. 기판에 대한 금속 이온의 조사가 효과적으로 수행될 수 있도록 배열되는 이동 부재와 충돌용 아크 증발원과 증착용 아크 증발원을 포함하되, 충돌용 아크 증발원은 증발 표면적이 복수의 증착용 아크 증발원의 최대 증발 표면적을 갖는 증착용 아크 증발원의 증발 표면적보다 크도록 형성된 아크 이온 도금장치가 본 발명의 범위에 속한다. 이런 장치에서, 증착용 아크 증발원의 수는 충돌용 아크 증발원의 수보다 필연적으로 많다. 충돌과 막 증착시 금속 이온 조사의 목적지는 동일 기판이기 때문에 하나의 증발원에 의해 공유 가능한 조사 영역이 작은 경우 증발원의 수는 막 증착시 증가되어야 한다.

즉, 본 발명은 하나의 충돌용 아크 증발원의 증발원 영역을 하나의 증착용 아크 증발원의 증발원 영역보다 크게 설정함으로써 증착용 아크 증발원에 의한 단위면적 당 금속 이온 조사량에 비해 아크 방전의 안정성을 위해 필요한 최소의 전류값에 대한 충돌용 아크 증발원에 의한 단위 면적당 금속 이온 조사량을 감소시킬 수 있는 구조를 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.

이하, 제1 실시예의 AIP 장치를 사용한 기판에 대한 막 증착예를 구체적으로 설명한다. 본 발명은 이들 막 증착예에 의해 한정적으로 해석되어서는 안된다.

[예]

직경이 100 mm인 증발면을 갖는 세 개의 증발원(7A)이 증착용 아크 증발원 그룹(7)으로서 종방향으로 일렬 배열되었다. 충돌용 아크 증발원(9)으로서 하나의 증발원(9A)이 사용되었다. 장측이 600 mm이고 단측이 100 mm인 직사각형 형상을 갖는 충돌용 아크 증발원(9A)이 장측이 종방향을 따라 놓이도록 진공 챔버(1)의 측벽 내면 상에 배열됨으로써, 기판 홀더(5)에 대향된 종방향 금속 이온 조사 영역폭이 500 mm로 형성된다. 기판으로서, 고속도강 시험편(치수: 12 mm × 12 mm × 5 mm)과 직경이 3 mm인 고속도강 드릴이 회전 테이블(2)의 각각의 유성 샤프트(4) 상에 장착된 기판 홀더 상에 적재되었다. 각각의 증발원(7A, 9A)에는 Ti로 제조된 타겟이 부착되었다. 충돌과 막 증착시 회전 테이블(2)의 공전수는 2 rpm으로 설정되었다.

종래 방법에 의한 막 증착예(종래예)로서, 충돌용 아크 증발원을 사용하지 않고 단지 증착용 아크 증발원만을 사용하여 후술하는 방식으로 충돌 처리와 TiN 막 증착이 수행되었다.

(1) 진공 챔버가 배기되었으며 기판은 진공 챔버에 설치된 방사 히터에 의해 400 ℃의 기판 온도로 가열되었다.

(2) 증착용 아크 증발원 그룹의 각각의 증발원은 100 A의 아크 전류로 작동되었고 금속 충돌 처리는 -1,000 V의 바이어스 전압으로 5분간 실행되었다.

(3) 충돌 처리후, 증착용 아크 증발원 그룹의 각 증발원은 150 A의 아크 전류로 작동되었고 3.9 Pa의 압력으로 질소 가스를 도입한 뒤 30분 동안 냉각하면서 약 3 ㎛의 TiN 막이 -50 V의 바이어스 전압으로 형성되었고 처리된 기판이 취출되었다.

상술한 종래예에서, 3 ㎛-TiN의 막 증착에 요구되는 시간은 90분이었고 진공 시작으로부터 취출까지 걸린 전체 순환 시간은 3시간 15분이었다.

종래 방법에 의한 막 증착예(비교예)로서, 충돌 처리와 막 증착 처리가 충돌용 아크 증발원만을 사용하여 후술하는 방식으로 수행되었다.

(1) 비교예의 (1)과 동일

(2) 충돌용 아크 증발원은 100 A의 아크 전류로 작동되었고 금속 충돌 처리는 -1,000 V의 바이어스 전압으로 15분간 실행되었다.

(3) 충돌 처리후, 충돌용 아크 증발원은 150 A의 아크 전류로 작동되었고, 3.9 Pa의 압력으로 질소 가스를 도입한 뒤 30분 동안 냉각하면서 약 3 ㎛의 TiN 막이 -50 V의 바이어스 전압으로 형성되었고 최종 기판이 취출되었다.

상술한 비교예에서, 3 ㎛-TiN의 막 증착에 요구되는 시간은 5시간이었고 진공 시작으로부터 취출까지 걸린 전체 순환 시간은 7시간이었다.

그 후, 본 발명의 실시예에 따른 AIP 장치를 독자적으로 사용한 막 증착예(발명예)로서, 충돌용 아크 증발원을 사용한 충돌 처리와 증착용 아크 증발원 그룹을 사용한 막 증착 처리가 아래의 방식으로 수행되었다.

(1) 종래예의 (1)과 동일

(2) 충돌용 아크 증발원은 100 A의 아크 전류로 작동되었고 금속 충돌 처리는 -1,000 V의 바이어스 전압으로 15분간 실행되었다.

(3) 충돌 처리후, 증착용 아크 증발원 그룹의 각 증발원이 150 A의 아크 전류로 작동되었고, 3.9 Pa의 압력으로 질소 가스를 도입한 뒤 30분 동안 냉각하면서 약 3 ㎛의 TiN 막이 -50 V의 바이어스 전압으로 형성되었고 최종 기판이 취출되었 다.

상술한 발명예에서, 3 ㎛-TiN의 막 증착에 요구되는 시간은 90분이었고 진공 시작으로부터 취출까지 걸린 전체 순환 시간은 3시간 25분이었다.

생산성이 현저히 열악한 비교예를 제외하고, 종래예와 발명예의 막 증착이 표 1의 각 항목에 대해 평가되었다. 그 결과는 모두 표 1에 도시되어 있다.

표1에서 명백한 바와 같이, 두 막 증착 사이에는 시험편의 막에 큰 특징차가 관찰되지 않았다. 그러나, 절단 모서리의 연화에 기인할 수 있는 절단 파괴가 종래예에서는 부분적으로 관찰되었지만 발명예에서는 이런 문제가 야기되지 않았다.

바이어스 전류는 발명예에서 확연히 감소되었고, 따라서 충돌 처리는 더 작은 용량의 바이어스 전력 공급부를 사용하여 수행될 수 있었다. 현저한 점은 바이어스 공급부에 의해 감지되는 비정상 방전이다. 종래예에서, 비정상 방전이 충돌 처리의 이전 단계에서 3분에 걸쳐 발생했지만, 이는 전압 인가가 비정상 방전없이 수행될 수 있었던 것은 단지 최종 2분만이었다. 바이어스 전력 공급부는 비정상 방전을 감지할 때 출력을 중단하고 휴지후 전압 인가를 재개하기 때문에, 정상 바이어스 전압이 인가되지 않는 상태가 비정상 방전이 생성되는 동안 달성된다. 한편, 발명예에서는 비정상 방전 빈도를 감소시키는 경향외에도 충돌 기간이 약 세 배이기 때문에 정상 전압을 인가하는 시간이 비교적 연장되고 막 증착 공정의 재생성은 더욱 개선된다.

또한, 시험편 상의 막을 현미경 관찰한 결과, 발명예에서는 막에 혼합된 거대 조직이 감소되었다. 이는 단위 면적당 열적 부하가 충돌용 아크 증발원의 영역의 확장에 의해 감소되기 때문에 충돌 과정에서 생성되는 거대 입자의 양이 감소되었다는 점에 기인한다.

상술한 바로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 따르는 AIP 장치는 충돌시 기판에 과도한 온도 상승이나 비정상 방전을 거의 일으키지 않음으로써 만족스러운 공정 제어 성능을 제공하는 효과를 갖는다.

Claims (11)

1. 진공 챔버와,

   상기 진공 챔버 내에 적재된 기판을 이동시키기 위한 것으로 상기 진공 챔버 내에 마련되어 상기 기판을 상기 진공 챔버의 높이 방향에 수직한 방향으로 이동시키는 이동 부재와,

   상기 진공 챔버 내에 마련되어 기판 표면을 세척하기 위해 아크 방전에 의해 증발된 금속 이온을 상기 기판의 표면에 조사하기 위한 충돌용 아크 증발원과,

   상기 진공 챔버 내에 마련되어 아크 방전에 의해 증발된 금속 이온을 상기 기판의 표면에 증착하기 위한 증착용 아크 증발원을 포함하고,

   상기 증착용 아크 증발원은 상기 진공 챔버의 높이 방향으로 서로 중첩되지 않고 상기 이동 부재에 설치된 상기 기판에 대향되어 배열되는 복수의 상기 증착용 아크 증발원으로 구성되는 증착용 아크 증발원 그룹을 구성하고, 상기 충돌용 아크 증발원은 상기 진공 챔버의 높이 방향으로 서로 중첩되지 않고 상기 기판에 대향되어 배열되는 적어도 하나의 아크 증발원으로 구성되는 충돌용 아크 증발원 그룹을 구성하고, 상기 충돌용 아크 증발원의 높이 방향에 수직한 방향의 길이는 상기 증착용 아크 증발원의 높이 방향에 수직한 방향의 길이보다 긴 아크 이온 도금장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 진공 챔버의 높이 방향으로 상기 충돌용 아크 증발원의 길이는 상기 증착용 아크 증발원의 높이 방향 길이보다 세 배 이상인 아크 이온 도금장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 진공 챔버의 높이 방향으로 상기 충돌용 아크 증발원의 길이는 0.5 내지 2.0 m인 아크 이온 도금장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 충돌용 아크 증발원은 증발 재료로 형성되는 타겟을 갖고, 상기 진공 챔버의 높이 방향으로 길게 형성된 전자석 코일이 상기 타겟의 이면에 부착되는 아크 이온 도금장치.
5. 진공 챔버와,

   상기 진공 챔버 내에 마련되어 상기 진공 챔버 내에 적재된 기판을 이동시키기 위한 이동 부재와,

   상기 진공 챔버 내에 마련되어 기판 표면을 세척하기 위해 아크 방전에 의해 증발된 금속 이온을 상기 기판의 표면에 조사하기 위한 충돌용 아크 증발원과,

   상기 진공 챔버 내에 마련되어 아크 방전에 의해 증발된 금속 이온을 상기 기판의 표면에 증착하기 위한 복수의 증착용 아크 증발원을 포함하고,

   상기 충돌용 아크 증발원은 그 증발 표면적이 복수의 상기 증착용 아크 증발원 중 최대의 증발 표면적을 갖는 증착용 아크 증발원의 증발 표면적보다 크도록 형성되는 아크 이온 도금장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 충돌용 아크 증발원의 증발 표면적은 복수의 상기 증착용 아크 증발원 중 최대의 증발 표면적을 갖는 상기 증착용 아크 증발원의 증발 표면적보다 세 배 이상인 아크 이온 도금장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 이동 부재는 그 길이 방향이 상기 진공 챔버의 높이 방향에 수직한 상기 진공 챔버의 높이 방향에 대응하도록 적재된 기판을 이동시키고,

   상기 충돌용 아크 증발원은 상기 진공 챔버의 높이 방향으로 서로 중첩되지 않고 상기 기판에 대향되어 배열되는 상기 충돌용 아크 증발원으로 구성되는 충돌용 아크 증발원 그룹을 구성하고,

   상기 증착용 아크 증발원은 상기 진공 챔버의 높이 방향으로 서로 중첩되지 않고 상기 기판에 대향되어 배열되는 복수의 상기 증착용 아크 증발원으로 구성되는 증착용 아크 증발원 그룹을 구성하는 아크 이온 도금장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 충돌용 아크 증발원 그룹을 구성하는 상기 충돌용 아크 증발원들은 동일한 치수를 가지며, 상기 증착용 아크 증발원 그룹을 구성하는 상기 증착용 아크 증발원들은 동일한 치수를 갖는 아크 이온 도금장치.
9. 제5항에 있어서, 상기 충돌용 아크 증발원은 증발 재료로 형성되는 타겟을 갖고, 상기 진공 챔버의 높이 방향으로 길게 형성된 전자석 코일이 상기 타겟의 이면에 부착되는 아크 이온 도금장치.
10. 제5항에 있어서, 상기 충돌용 아크 증발원 그룹은 상기 진공 챔버의 높이 방향으로 서로 중첩되지 않고 상기 기판에 대향되어 배열되는 복수의 충돌용 아크 증발원으로 구성되는 아크 이온 도금장치.
11. 제5항에 있어서, 상기 충돌용 아크 증발원 그룹은 상기 기판에 대향된 하나의 아크 증발원으로 구성되는 아크 이온 도금장치.

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