KR100928970B1 - 제3의 원소가 첨가된 다이아몬드상 탄소박막의 제조방법 - Google Patents
제3의 원소가 첨가된 다이아몬드상 탄소박막의 제조방법Info
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Abstract
본 발명은 탄소를 함유한 가스를 분해하여 탄소박막을 제조하는 방법에 관한 것으로, 진공실 내부에는 기판이 장착된 기판홀더가 구비되고, 기판 상부에는 거리를 두고 도핑물질메쉬가 고주파전원과 연결된 채 배치되며, 진공실 상부에는 가스도입구가 형성되고, 전자석이 구비되며, 전자석 사이로는 가이드튜브가 배치되고, 이 가이드튜브에는 마이크로파발생기가 연결되도록 배치하는 단계와; 상기 단계후 진공실내 진공도를 10-5 토르 이하로 진공시키는 단계와; 진공이 형성되면 가스도입구를 통해 진공실 내부로 아르곤가스를 도입시키면서 마이크로파발생기에 전원을 인가하여 마이크로파를 발생시키고 전자석에 전원을 인가하여 300W의 전력으로 ECR 플라즈마를 발생시켜 아르곤 플라즈마로 기판의 표면을 청정시키는 단계와; 상기 청정 단계후 상기 가스도입구를 통해 메탄과 수소가 혼합된 혼합가스를 공급하면서 도핑물질메쉬에도 300W의 고주파전원을 인가하여 상기 도핑물질이 기판상에 도핑되면서 다이아몬드상 탄소박막을 형성시키는 단계로 이루어진다.
본 발명의 방법으로 금속이 함유된 다이아몬드상 탄소박막을 제조하면 공정이 간단하면서 광범위한 조성의 도핑 물질 제어가 가능하여 산업적으로 매우 유용한 다이아몬드상 탄소박막을 제조할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 탄소를 함유한 가스를 분해하여 탄소박막을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판 주위에 메쉬 형태의 재료를 설치하고 상기 재료에 고주파 전원을 인가하여 재료를 스퍼터링하면서 동시에 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마를 이용한 화학증착방식으로 경질 탄소박막을 코팅하여 경질 탄소박막에 금속재료가 도핑되게 한 제3의 원소가 첨가된 다이아몬드상 탄소박막의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 진공중에서 탄소를 함유한 가스 또는 흑연 타겟을 이용하면서 플라즈마를 이용한 활성화를 통해 제조되는 탄소박막은 수소의 함량이나 이온에너지 등에 따라 흑연 특성은 물론 폴리머 특성, 그리고 다이아몬드 특성까지 다양한 형태로 구현되며 제조된 박막의 기계적, 물리적 특성 또한 매우 광범위한 형태로 나타난다.
예컨대, 비정질 탄소박막은 이러한 다양한 탄소계 박막 중에서 물리적, 화학적으로 안정하고 기계적 특성이 우수한 박막을 통칭하여 일컫는 말이다.
이러한 비정질 탄소박막 중에서 지금까지 가장 많이 연구가 되어 왔으며, 또한 산업상 널리 이용되는 것이 다이아몬드상 탄소(Diamond Like Carbon; DLC)이며, 이와 같은 다이아몬드상 탄소박막은 높은 경도, 고윤활 특성, 우수한 생체적합성, 낮은 표면거칠기 등 많은 장점을 가지고 있다.
지금까지 다이아몬드상 탄소박막을 제조하는 방법으로는 ECR-CVD방식(공개특허 2001-0026548)과, 진공여과아크방식(공개특허2003-0035444), PECVD(공개특허 2004-0088650), 이온빔증착법(공개특허 2005-0005251) 등이 있다.
그러나, 개시된 기술에 의한 다이아몬드상 탄소박막은 높은 경도로 인해 잔류응력이 높고, 기판과의 낮은 친화력으로 인해 부착 특성이 열악하여 신뢰성이 높은 피막제조가 어려워 산업에 적용하는데 많은 제약이 따랐다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 공개특허 2003-0035444에서는 아크소스와 스퍼터링 소스를 동시에 이용하여 다이아몬드상 탄소박막내에 실리콘을 첨가하여 제반 물성은 유지하면서 잔류응력을 감소시키는 방법을 제공하였다.
그럼에도 불구하고, 이 방법은 소스를 두 개 이상 사용하기 때문에 제어가 까다롭다는 단점이 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 제반 문제점을 감안하여 이를 해소하기 위해 창출된 것으로, 탄소를 함유한 가스를 분해하여 탄소박막을 제조할 때에 기판 주위에 판상의 재료를 설치하고 이 재료에 고주파 전원을 인가하여 재료를 스퍼터링하면서 동시에 ECR 플라즈마를 이용한 화학증착방식으로 경질 탄소박막을 코팅하여 경질 탄소박막에 금속재료가 도핑되게 하여 다이아몬드상이 되도록 함으로써 제어의 용이성을 확보함과 동시에 물성은 유지하면서 잔류응력을 감소시킬 수 있도록 하여 산업상 이용성을 더욱 높인 제3의 원소가 첨가된 다이아몬드상 탄소박막의 제조방법의 제공을 그 주된 해결 과제로 한다.
본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로, 진공실 내부에는 기판이 장착된 기판홀더가 구비되고, 기판 상부에는 거리를 두고 도핑물질메쉬가 고주파전원과 연결된 채 배치되며, 진공실 상부에는 가스도입구가 형성되고, 전자석이 구비되며, 전자석 사이로는 가이드튜브가 배치되고, 이 가이드튜브에는 마이크로파발생기가 연결되도록 배치하는 단계와; 상기 단계후 진공실내 진공도를 10-5 토르 이하로 진공시키는 단계와; 진공이 형성되면 가스도입구를 통해 진공실 내부로 아르곤가스를 도입시키면서 마이크로파발생기에 전원을 인가하여 마이크로파를 발생시키고 전자석에 전원을 인가하여 300W의 전력으로 ECR 플라즈마를 발생시켜 아르곤 플라즈마로 기판의 표면을 청정시키는 단계와; 상기 청정 단계후 상기 가스도입구를 통해 메탄과 수소가 혼합된 혼합가스를 공급하면서 도핑물질메쉬에도 300W의 고주파전원을 인가하여 상기 도핑물질이 기판상에 도핑되면서 다이아몬드상 탄소박막을 형성시키는 단계로 이루어진 제3의 원소가 첨가된 다이아몬드상 탄소박막의 제조방법을 제공함에 그 특징이 있다.
이때, 상기 탄소박막 형성단계에서, 메탄과 수소의 혼합비는 질량비로 1:5인 것에도 그 특징이 있다.
또한, 상기 탄소박막 형성단계에서, ECR 플라즈마는 전자석에 인가되는 전력이 500W인 것에도 그 특징이 있다.
본 발명의 방법으로 금속이 함유된 다이아몬드상 탄소박막을 제조하면 공정이 간단하면서 광범위한 조성의 도핑 물질 제어가 가능하여 산업적으로 매우 유용한 다이아몬드상 탄소박막을 제조할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명을 설명하기 위한 탄소피막 형성시의 사용설비를 보인 모식도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고주파전원의 전력에 따른 도핑물질 함유량의 변화를 보인 그래프.
♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♧
1....진공실 2....기판홀더
3....기판 4....도핑물질메쉬
5....가이드튜브 6....전자석
7....마이크로파발생기 8....가스도입구
9....고주파전원
이하에서는, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명을 설명하기 위한 탄소피막 형성시의 사용설비를 보인 모식도 이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고주파전원의 전력에 따른 도핑물질 함유량의 변화를 보인 그래프이다.
본 발명에 따른 표면처리를 위해 사용되는 진공설비로 공지된 진공증착장치를 이용하였다.
예컨대, 도 1의 예시와 같이, 진공실(1) 내에는 기판홀더(2)가 구비되고, 상기 기판홀더(2)에는 기판(3)이 장착된다.
또한, 상기 기판(3)의 상부에는 도핑물질메쉬(4)가 설치되고, 상기 도핑물질메쉬(4)에는 고주판전원(9)이 연결된다.
한편, 상기 진공실(1)의 상부에는 ECR 플라즈마를 발생시키기 위한 마이크로파발생기(7)와, 가이드 튜브(5), 전자석(6) 및 가스도입구(8)가 구비된다.
이 상태에서, 먼저 진공펌프(미도시)를 이용하여 진공실(1) 내부의 진공도가 10-5 토르 이하가 되도록 배기한다.
이 과정을 통해, 상기 진공실(1)의 진공도가 10-5 토르 이하가 되면, 기판(3)의 청정을 위해 가스도입구(8)를 통해 아르곤가스를 주입하면서 마이크로파발생기(7)에 전원을 인가하여 마이크로파를 발생시킨 다음 전자석(6)에 전원을 인가하여 ECR 플라즈마를 유도한다.
이어, 고주파전원(9)에 전원을 인가하여 아르곤가스를 방전시킴으로써 아르곤 플라즈마를 발생시키고, 이 아르곤 플라즈마를 이용하여 기판(3)의 표면을 청정시킨다.
이때, 상기 기판(3)의 청정은 기판(3)에 존재하는 유기물과 같은 불순물 뿐만 아니라 자연적으로 존재하는 산화막까지를 제거하는 것을 의미하며, 만약 이들 불순물이 충분히 제거되지 않으면 밀착성에 영향을 주므로 충분히 청정을 해주어야 한다.
이를 위해, 기판(3)의 청정은 보통 10-2 토르 정도의 아르곤가스 분위기에서 시편에 300W의 고주파 전력을 인가하여 실시함이 바람직하다.
이렇게 하면, 방전영역에 존재하는 아르곤 이온이 기판(3)에 충돌하여 기판(3)에 존재하는 불순물을 제거하게 된다.
이와 같은 과정을 통해, 기판(3)의 청정이 완료되면 가스도입구(8)를 통해 메탄이나 아세틸렌 등의 탄소함유 가스와 수소 가스를 적정비율로 혼합 주입하면서 기판(3)을 청정하였을 때와 동일한 방법으로 ECR 플라즈마를 유도하고, 고주파전원(9)에 전력을 인가하여 다이아몬드상 탄소박막을 제조한다.
이하, 실시예에 대하여 설명한다.
[실시예]
본 발명 실시를 위해, Co가 10% 함유된 초경 기판상에 Ti이 약 8% 함유된 다이아몬드상 탄소박막을 제조하였다.
이때, 실험을 위해, 가로, 세로가 각각 5cm이고 두께가 5mm인 초경 기판(3)을 시편으로 하고, 이 시편을 기판홀더(2)에 장착한 다음 지름이 1mm인 티타늄 메쉬를 가로, 세로가 각각 10cm가 되도록 엮은 다음 기판 위의 5cm 위에 위치시켰다.
이어, 진공펌프를 이용하여 배기하여, 진공도가 10-5 토르 이하가 된 후 기판(3)의 청정을 위해 가스도입구(8)를 통해 아르곤 가스를 주입하면서 마이크로파발생기(7)에 전원을 인가하여 마이크로파를 발생시킨 다음 전자석(6)에 전원을 인가하여 300W의 전력으로 ECR 플라즈마를 유도하였다.
다음에, 고주파전원(9)에 300W의 전원을 인가하여 아르곤 플라즈마를 발생시켜 30분 동안 기판(3)을 청정시켰다.
기판(3)의 청정이 완료된 후 가스도입구를 통해 메탄과 수소를 질량비로 1:5(이 범위일 때 다이아몬드상 탄소박막의 효율이 제일 좋기 때문)의 비율로 조절하여 주입하면서 ECR 플라즈마를 유도하되 발생된 플라즈마의 전력을 500W로 하고 도핑물질메쉬(5)인 Ti 메쉬에 고주파전원(9)을 통해 300W의 전력을 인가하여 티타늄이 함유된 다이아몬드상 탄소박막을 제조하였다.
이 결과, 도 2에서와 같이, 고주파전원(9)의 전력에 따른 도핑물질 함유량이 선형적으로 증가함을 확인할 수 있었다.
이를 통해, 간단하면서도 용이하게 금속이 함유된 다이아몬드상 탄소박막을 제조할 수 있었고, 광범위한 조성의 도핑 물질 제어도 가능함을 확인할 수 있었다.
Claims (3)
- 진공실 내부에는 기판이 장착된 기판홀더가 구비되고, 기판 상부에는 거리를 두고 도핑물질메쉬가 고주파전원과 연결된 채 배치되며, 진공실 상부에는 가스도입구가 형성되고, 전자석이 구비되며, 전자석 사이로는 가이드튜브가 배치되고, 이 가이드튜브에는 마이크로파발생기가 연결되도록 배치하는 단계와;상기 단계후 진공실내 진공도를 10-5 토르 이하로 진공시키는 단계와;진공이 형성되면 가스도입구를 통해 진공실 내부로 아르곤가스를 도입시키면서 마이크로파발생기에 전원을 인가하여 마이크로파를 발생시키고 전자석에 전원을 인가하여 ECR 플라즈마를 발생시킨 다음, 아르곤 플라즈마로 기판의 표면을 청정시키는 단계와;상기 기판의 표면을 청정시키는 단계후 상기 가스도입구를 통해 메탄과 수소가 혼합된 혼합가스를 공급하면서 마이크로파발생기에 전원을 인가하여 마이크로파를 발생시키고 전자석에 전원을 인가하여 ECR 플라즈마를 발생하되 도핑물질메쉬에도 고주파전원을 인가하여 상기 도핑물질이 기판상에 도핑되면서 다이아몬드상 탄소박막을 형성시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소박막의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서;상기 다이아몬드상 탄소박막을 형성시키는 단계에서, 메탄과 수소의 혼합비는 질량비로 1:5인 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소박막의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서;상기 다이아몬드상 탄소박막을 형성시키는 단계에서, 상기 전자석에 인가되는 전력은 500W인 것을 특징으로 하는 다이아몬드상 탄소박막의 제조방법.
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| KR1020070078526A KR100928970B1 (ko) | 2007-08-06 | 2007-08-06 | 제3의 원소가 첨가된 다이아몬드상 탄소박막의 제조방법 |
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