KR101036333B1

KR101036333B1 - 자동화 장비용 부품과 자동차 부품의 내마모, 저마찰특성을 갖는 플라즈마 박막 증착장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR101036333B1
Application number: KR1020070125614A
Authority: KR
Inventors: 김성영
Original assignee: (주)어플라이드플라즈마
Priority date: 2007-12-05
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2011-05-25
Also published as: KR20090058841A

Abstract

본 발명은 플라즈마 박막 증착장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 장비에서 가장 많이 이용되고 있는 자동화 부품 표면과 자동차 피스톤 핀 또는 컨넥팅 로드와 암 같은 부품 등의 모재를 공·자전 시키는 지그가 진공챔버에 구비되고, 진공챔버를 진공상태로 유지시키는 진공배기부가 설치되며, 회전되는 모재의 표면을 질소 또는 아르곤 이온 플라즈마를 발생시켜 활성화시키고, 모재의 열변형없이 질소이온경화층을 형성시키며, 금속타겟과 아르곤 플라즈마를 충돌시키는 스퍼트현상에 의해 금속층을 형성시키고, 반응가스와 플라즈마를 형성하여 DLC(Diamond Like Carbon) 박막층 및 Me-DLC(Metal containing-DLC) 박막층을 형성시키는 표면처리부를 구성하여 모재의 방습효과는 물론, 경도를 향상시킬 수 있고, 마찰계수를 저하시킬 수 있어 내마모성을 감소시킬 수 있으며, 공·자전 지그가 다수의 모재를 고정시켜 회전시킬 수 있기 때문에 생산성을 향상시킬 수 있어 작업의 효율성을 향상시킬 수 있다.

플라즈마, 박막, 스퍼트, DLC 박막, Me-DLC 박막

Description

자동화 장비용 부품과 자동차 부품의 내마모, 저마찰 특성을 갖는 플라즈마 박막 증착장치 및 그 방법{Plasma thin film deposition system and it`s method for high wear resistance and low friction coefficient thin film deposition on components in automatic system and automobile}

본 발명은 플라즈마 박막 증착장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 장비에서 가장 많이 이용되고 있는 자동화 부품 표면과 자동차 피스톤 핀 또는 컨넥팅 로드와 암 같은 자동차 부품 등의 모재를 공·자전 시키는 지그가 진공챔버에 구비된다.

그리고 진공챔버를 진공상태로 유지시키는 진공배기부가 설치되며, 회전되는 모재의 표면을 질소이온 플라즈마를 발생시켜 활성화시키고, 질소이온경화층을 형성시키며, 금속타겟과 아르곤 플라즈마를 충돌시키는 스퍼트현상에 의해 금속층을 형성시킨다.

또한, 반응가스와 플라즈마를 형성하여 DLC 박막층 및 Me-DLC(Metal containing-DLC) 박막층을 형성시키는 표면처리부를 구성하여 모재의 방습효과는 물론, 경도를 향상시킬 수 있고, 마찰계수를 저하시킬 수 있어 내마모성을 감소시킬 수 있으며, 공·자전 지그가 다수의 모재를 고정시켜 회전시킬 수 있기 때문에 생산성을 향상시킬 수 있어 작업의 효율성을 향상시킬 수 있는 플라즈마 박막 증착장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 정밀 제어 장비에서 가장 많이 이용되는 자동화 부품은 리니어 모션(LM : Linear Motion) 부품으로 LM 가이드, LM 볼 스크류, LM 샤프트 등이 있으며, 특히 반도체 장비에서 사용되는 LM 부품은 일반 장비에서 사용되는 LM 부품보다 그 사용조건이 매우 엄격하다.

반도체 장비에서 사용되는 LM 부품의 사용조건은 다음과 같다.

첫째, 내부식, 내 화학성이 높아야 한다.

즉, 반도체 장비가 부식되거나 침식되면, 부식된 표면으로부터 오염입자가 발생되어 생산되는 반도체 부품에 치명적인 결함을 발생시키기 때문이다.

둘째는, 장비의 사용 내구성이 매우 높아야 한다.

즉, 직선왕복운동을 하는 LM의 특성상 수만-수십만번 반복운동을 하기 때문에 마찰되는 면에서 마모가 발생되게 되는데, 이 마찰부분에서 마모가 발생되면 앞에서도 언급하였듯이 오염입자가 발생되어 정밀도와 생산되는 반도체 부품에 치명적인 결함을 야기하게 된다.

셋째, 내부식성과 내마모성이 높다하더라도 마찰면사이의 마찰계수가 높으면, 동력전달이 어렵고 과부하가 발생할 수 있기 때문에 마찰면의 마찰계수가 현격히 작은 것이 좋다.

기존 반도체 장비에 사용되는 LM 부품에는 레이던트(RAYDENT) 코팅(습식 전해 코팅)기술이 가장 널리 이용되고 있다.

도 1은 종래 레이던트(RAYDENT) 코팅방법과 코팅을 도시한 도면이다.

도면에서 도시된 바와 같이, 레이던트(RAYDENT) 코팅기술은 초미립자 세라믹 상으로 전기분해된 레이던트(RAYDENT) 피막층을 코팅하여 LM 부품 등에 내식성을 부여한 기술이다.

즉 이 레이던트(RAYDENT) 기술은 금속의 습식 전처리 과정을 거쳐 영하 10도의 냉음극전해 과정을 통해 약 1-2μm 두께로 레이던트(RAYDENT) 박막을 코팅함과 아울러 모재층 내부에도 약 1-2μm 두께의 확산층이 형성되게 하는 기술로서 치밀한 크롬(Cr)계 산화부동태 박막을 형성시켜 안정된 산화 세라믹 박막을 코팅시켜 얻어진다.

이러한 레이던트(RAYDENT) 박막은 그 성능이 우수하면서 대체할 박막기술이 없어 지금까지 널리 이용되어 왔으나, 최근에 6가 크롬이 중금속으로 심각한 문제를 야기한다는 환경보고가 대두되면서 수출품에서는 특히 심각한 수입규제(유럽 TCU 규격) 대상으로 분류되었다.

습식도금 공정에 의해 얻어지는 크롬은 6가 크롬이기 때문에 비록 크롬계 산화부동태 박막이 되었다 하더라도, 박막 또는 모재 내에 결합하지 않은 6가 크롬이 용출될 수 있고, 상기의 레이던트(RAYDENT) 박막은 H_RC(Knoop Hardness) 경도로 약 40정도로 약하기 때문에 마찰, 마모 표면에 적용하는데 매우 큰 문제점을 가지고 있다.

즉 경도가 작기 때문에 마찰, 마모되지 않고 정지되어 있는 부품에 적용하는데 있어서는 매우 좋은 코팅박막이지만, 직선운동을 하는 LM 부품의 마찰, 마모 표면에서는 마모가 쉽게 발생되어 기계류 섭동부품 표면에는 적당하지 않는 코팅박막으로서 그 적용에는 심각한 문제점을 가지고 있다.

또한, 자동차 기술 중에서도 전자기술의 비약적인 발전에 의해 자동차의 성능이 매우 좋아졌지만, 아직까지도 기계류 섭동부의 마찰 마모에 의한 부하 때문에 소음을 더 이상 줄일 수 없고, 더 이상 연비를 향상시킬 수 없다는 문제점이 있다.

상기의 문제를 해소하기 위해 다이아몬드 탄소상 박막 기술이 사용되고 있다.

다이아몬드 탄소상 박막(DLC : Diamond-Like Carbon Thin Film)은 내부식성과 내마모성이 매우 뛰어나며 경도가 매우 높고 심지어는 마찰계수가 현저히 작다는 특징을 갖는다고 잘 알려져 있다.

그러나 이러한 DLC 박막은 내부에 매우 큰 압축응력(2MPa 이상)이 내포되어 있어 산업적으로 응용하기 매우 힘들었었다.

이러한 큰 압축응력의 한계를 극복할 수 있는 금속원자가 내포된 다이아몬드상 탄소박막(Me-DLC : Metal Containing DLC Thin Film) 증착기술이 개발됨으로서 그 산업적 응용이 확대되었으나 금속으로 만들어진 모재와의 접착력에는 매우 큰 문제점이 있다.

다시 말해, 실제 모재가 금속인 경우, 특히 3차원의 길고 복잡한 형상의 금 속 제품에 상기의 Me-DLC 박막을 직접 증착하였을 경우 접착력(밀착력)에 한계를 가지고 있어 역시 산업적 응용이 매우 어렵다는 문제점이 있다.

참고로, DLC 박막은 Me-DLC 박막보다 경도와 내마모성 및 내화학성은 높으나 압축응력이 상대적으로 커 접착력이 작으며, 마찰계수는 Me-DLC 보다 크다는 장단점을 가지고 있다.

또한, 금속원자가 내포된 다이아몬드상 탄소박막을 증착시키기 위해, 모재에 마이크로 펄스 플라즈마를 발생시키는데, 이는 모재의 온도를 600℃ ~ 800℃까지 상승시켜 모재에 열변형을 발생시키는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로써, 반도체 장비에서 가장 많이 이용되고 있는 자동화 부품 표면과 자동차 피스톤 핀 또는 컨넥팅 로드와 암 같은 자동차 부품 등의 모재를 공·자전 시키는 지그가 진공챔버에 구비된다.

그리고 진공챔버를 진공상태로 유지시키는 진공배기부가 설치되며, 회전되는 모재의 표면을 질소 또는 아르곤 이온 플라즈마를 발생시켜 활성화시키고, 모재의 열변형없이 질소이온경화층을 형성시키며, 금속타겟과 아르곤 플라즈마를 충돌시키는 스퍼트현상에 의해 금속층을 형성시킨다.

또한, 반응가스와 플라즈마를 형성하여 DLC 박막층 및 Me-DLC(Metal containing-DLC) 박막층을 형성시키는 표면처리부를 구성하여 모재의 방습효과는 물론, 경도를 향상시킬 수 있고, 마찰계수를 저하시킬 수 있어 내마모성을 감소시킬 수 있으며, 공·자전 지그가 다수의 모재를 고정시켜 회전시킬 수 있기 때문에 생산성을 향상시킬 수 있어 작업의 효율성을 향상시킬 수 있다.

특히, 종래 환경적으로 심각한 중금속으로 분류된 6가 크롬을 사용하지 않음은 물론, 심각한 환경문제를 야기하는 습식도금 공정을 이용하지 않는 친환경적인 플라즈마 박막 증착장치 및 그 방법을 제공하는 것이 목적이다.

상기 목적을 이루기 위한 본 발명은, 내측에 공간부가 형성된 진공챔버, 상기 진공챔버 내부를 진공으로 만드는 진공배기부, 상기 진공챔버 내부에 공전 및 자전 가능하도록 설치되고, 반도체 장비용 자동화 부품 및 자동차 부품 등의 모재를 고정시켜 공·자전시키는 공·자전 지그, 및 고전압 펄스전원에 의해 플리즈마를 형성시켜 상기 고정된 모재 표면에 다수 층의 박막을 증착시키는 표면처리부를 포함하여 이루어진다.

바람직하게, 상기 표면처리부는, 상기 진공챔버에 주입된 질소 또는 아르곤과 고전압 펄스전원에 의해 플라즈마를 형성시켜 모재의 표면을 활성화시키고, 발생된 질소 플라즈마 내의 질소이온을 모재 표면에 가속시키는 고전압 펄스전원부, 상기 질소이온을 가속시켜 모재의 표면에 질소이온경화층을 형성시키는 그리드, 상기 진공챔버에 금속 타겟을 생성시키는 마그네트론, 상기 진공챔버에 반응가스를 주입시키는 가스공급부, 아르곤 플라즈마를 형성시키고, 주입된 금속 타겟과 충돌시켜 상기 질소이온경화층이 형성된 모재 표면에 스퍼트 증착시킴으로써, 금속층을 형성시키며, 상기 가스공급부에서 공급된 반응가스과 상기 금속층이 형성된 모재 표면에 DLC(Diamond Like Carbon) 박막층을 형성시키는 고주파 전원부, 및 상기 고전압 펄스전원부와 상기 고주파 전극부를 선택적으로 연결시키는 전원 전환부를 포함하여 이루어진다.

그리고 상기 마그네트론의 금속 타겟은 티탄(Ti), 텅스텐(W), 규소(Si), 게르마늄(Ge) 중 선택된 어느 하나 이상이다.

또한, 상기 가스공급부의 반응가스는 아르곤(Ar), 질소(N2), 산소(O2), 메 탄(CH4), 아세틸렌(C2H2), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10), 에탄(C2H6) 중 선택된 어느 하나 이상이다.

그리고 상기 고주파 전원부는 상기 진공챔버에 금속 타겟과 반응가스를 동시에 주입하고, 플라즈마를 발생시켜 상기 모재 표면에 금속이 포함된 Me-DLC(Metal-Diamond Like Carbon) 박막층을 하나 이상 더 형성시킨다.

또한, 상기 표면처리부의 고전압 펄스전원에 의해 가열되는 모재의 온도는 50℃ ~ 100℃ 이하이다.

그리고 진공챔버 내에 다량의 반도체 장비용 자동화 부품 및 자동차 부품 등의 모재를 공·자전되는 지그에 장착하는 모재 장착단계, 고전압 펄스전원부에 전원이 인가되는 모재와 일정거리 떨어진 곳에 동일한 고전압이 인가되는 그리드를 위치시키는 그리드 위치설정단계, 고전압 펄스전원부를 이용하여 모재 표면에 질소이온경화층을 형성시키는 경화층 형성단계, 마그네트론에 의해 상기 진공챔버에 공급된 다량의 금속 타겟을 스퍼터링 방법을 이용하여 질소이온경화층 표면에 밀착력 향상을 위한 금속층을 형성시키는 금속층 형성단계, 상기 진공챔버에 반응가스를 주입하고, 주입된 반응가스에 고주파 전원부를 연결시켜 발생된 플라즈마에 의해 상기 금속층 표면에 DLC 박막층을 증착하는 DLC 박막층 형성단계를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 금속층 형성단계와 상기 DLC 박막층 형성단계 사이에는, 상기 금속 타겟과 반응가스를 동시에 공급하여 상기 금속층 표면에 금속을 함유한 Me-DLC 박막층을 형성시키는 Me-DLC 박막층 형성단계가 더 구비되어 금속층의 열팽창계수 를 저하시키고, DLC 박막층의 결합력을 향상시킨다.

그리고 상기 금속층 형성단계와 상기 DLC 박막층 형성단계 사이에는, 상기 금속 타겟과 반응가스를 동시에 공급하여 상기 금속층 표면에 금속을 함유한 1차 Me-DLC 박막층을 형성시키는 1차 Me-DLC 박막층 형성단계, 상기 진공챔버에 공급된 다량의 금속타겟을 스퍼터링 방법을 이용하여 1차 Me-DLC 박막층 표면에 밀착력 향상을 위한 금속층을 형성시키는 2차 금속층 형성단계, 및 상기 금속 타겟과 반응가스를 동시에 공급하여 상기 2차 금속층 표면에 금속을 함유한 2차 Me-DLC 박막층을 형성시키는 2차 Me-DLC 박막층 형성단계를 더 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 마그네트론의 금속 타겟은 티탄(Ti), 텅스텐(W), 규소(Si), 게르마늄(Ge) 중 선택된 어느 하나 이상이다.

그리고 상기 가스공급부의 반응가스는 상기 가스공급부의 반응가스는 아르곤(Ar), 질소(N2), 산소(O2), 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10), 에탄(C2H6) 중 선택된 어느 하나 이상이다.

또한, 상기 그리드와 모재 표면사이의 거리를 플라즈마 시스(Plasma Sheath) 메카니즘에 의해 설계된 설계값인 20 ∼ 30cm로 이격시킨다.

그리고 상기 그리드와 모재 표면에 인가되는 고전압 펄스전원은 30kV, 펄스폭 5μsec, 펄스주파수 최대 500Hz이다.

또한, 상기 경화층 형성단계에서 상기 고전압 펄스전원부에 의해 가열되는 모재의 온도는 50℃ ~ 100℃ 이하이다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의한 플라즈마 박막 증착장치 및 그 방법에 의하면, 반도체 장비용 자동화 부품과 자동차 부품 등의 모재 표면에 모재의 열변형없이 질소이온경화층, 금속층 및 DLC 박막층을 형성하여 모재의 방습효과는 물론, 경도를 향상시킬 수 있고, 마찰계수를 저하시킬 수 있어 내마모성을 감소시킬 수 있으며, 공·자전 지그가 다수의 모재를 고정시켜 회전시킬 수 있기 때문에 생산성을 향상시킬 수 있어 작업의 효율성을 향상시킬 수 있게 하는 매우 유용하고 효과적인 발명이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

또한, 본 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고 단지 예시로 제시된 것이며, 그 기술적 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 박막증착 장치의 평면도를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 박막증착 장치의 내부를 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 박막 증착장치 및 그 방법에 의한 박막의 일 실시 예를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 박막 증착장치 및 그 방법에 의한 박막의 다른 실시 예를 도시한 도면이며, 도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 박막 증착장치 및 그 방법에 의한 박막의 또 다른 실시 예를 도시한 도면이고, 도 7 은 본 발명에 따른 플라즈마 박막 증착장치 및 그 방법에 의한 박막과 종래 레이던트(RAYDENT) 코팅의 마찰계수를 도시한 도면이며, 도 8은 본 발명에 따른 플라즈마 박막 증착장치 및 그 방법에 의한 박막과 종래 레이던트(RAYDENT) 코팅의 마모시험을 도시한 도면이고, 도 9는 본 발명에 따라 (a)LM 가이드와 (b)LM 샤프트 등의 모재 표면에 박막이 증착된 샘플 도면이다.

도면에서 도시한 바와 같이, 플라즈마 박막 증착장치는 진공챔버(100)와 진공배기부(200), 공·자전 지그(300) 및 표면처리부(400)로 구성되는 것으로, 진공챔버(100)는 내부에 공간부가 형성되고, 진공배기부(200)는 진공챔버(100)를 진공상태로 유지시켜준다.

공·자전 지그(300)는 진공챔버(100) 내부에 공전 및 자전될 수 있도록 설치되어 자동화 부품 표면과 자동차 피스톤 핀 또는 컨넥팅 로드와 암 같은 부품 등의 모재(10)를 고정시켜 회전시킨다.

공·자전 지그(300)는 교류유도모터의 회전력을 밸트로 전달하여 회전되는 지그로써, 기어뭉치를 이용하여 다수의 모재가 고정된 전체가 공전하는 동시에 자전하는 기구로 이루어져 있다.

표면처리부(400)는 공·자전 지그(300)에 고정된 다량의 모재(10) 표면에 다수의 박막층을 증착시키는 것으로, 고전압 펄스전원에 의한 플라즈마를 형성시켜 금속 타겟(432)이나 반응가스과 반응하여 다수의 박막층을 증착시키게 된다.

표면처리부(400)는 고전압 펄스전원부(410)와 그리드(420), 마그네트론(430), 가스공급부(440), 고주파 전원부(450) 및 전원전환부(460)로 구성되는 것 으로, 고전압 펄스전원부(410)는 플라즈마를 형성시켜 오염물질을 제거하여 모재(10) 표면을 활성화시키고, 질소와 플라즈마를 형성시켜 질소이온을 발생시키게 된다.

이러한 고전압 펄스전원부(410)의 고전압 펄스전원에 의해 플라즈마가 발생되면, 모재(10) 온도상승을 최소화시킬 수 있어 모재(10)에 열변형이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

이때, 고전압 펄스전원부(410)에 의해 상승되는 모재(10) 온도는 50℃ ~ 100℃ 범위로 유지되며, 평균 70℃를 유지시키는 것이 바람직하다.

또한, 고전압 펄스전원부(410)는 최대 -10 ∼ -50kV, 피크전류는 80 ∼ 200A, 펄스폭은 0.5 ∼ 5μsec, 주파수는 50 ∼ 500Hz이다.

그리드(420)는 상기 질소이온을 모재 방향으로 유도시키는 것으로, 모재의 표면에 질소이온경화층(500)을 형성시키도록 질소이온을 유도시키게 된다.

그리드(420)에 고전압 펄스전원부(410)로 펄스전압을 인가시키는 것은, 모재 표면의 물리적인 손상을 감소시키기 위한 것으로, 모재를 향하여 직접 가속되어 입사되는 질소이온들의 운동에너지의 일부를 차단 또는 조절하는 기능을 갖는다.

이때, 이온주입 방식은 종래 방향성을 가지고 이온이 주입되는 것이 아니라, 다수의 모재 표면에 동시에 이온들이 입사되어 주입되는 방식으로 한번에 여러 개의 모재 표면을 처리할 수 있다는 커다란 장점을 가지는 것이다.

그리고 마그네트론(430)은 진공챔버(100)의 내벽에 장착되고, 마그네트론(430)의 내측에 금속 타겟(432)이 설치되어 직류전원(434)의 전압 인가되고, 가 스공급부(440)는 반응가스를 공급하게 된다.

마그네트론(430)에 장착된 금속 타겟(432)에 직류전압을 인가하면 스퍼터 가스인 아르곤 가스가 이온화되면서 금속 타겟(432) 쪽으로 가속되어 충돌됨으로써, 금속 타겟(432)을 구성하고 있는 금속원자들이 스퍼터되어 나오게 되는데, 이렇게 나온 금속원자들이 모재표면에 증착되어 중간 금속층(600)이 형성되게 된다.

이때, 마그네트론(430)의 금속 타겟()은 티탄(Ti), 텅스텐(W), 규소(Si), 게르마늄(Ge) 중 선택된 어느 하나 이상으로써, 모재(10)의 용도에 따라 선택적으로 사용하게 된다.

그리고 직류전원(434)은 최대 40kW(1kV, 40A)의 전력을 가진다.

고주파 전원부(450)는 플라즈마를 발생시켜 가스공급부(440)에서 공급하는 반응가스와 반응을 일으켜 금속층(600)이 형성된 모재(10)에 DLC(Diamond Like Carbon) 박막층(700)을 형성하게 된다.

상기 가스공급부(440)의 반응가스는 아르곤(Ar), 질소(N2), 산소(O2) 중 선택된 어느 하나 이상과 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10), 에탄(C2H6) 중 선택된 어느 하나 이상을 일정비율로 사용되는 것으로, 모재(10) 용도 및 작업자의 의도에 따라 선택적으로 공급하게 된다.

고주파 전원부(450)는 20kHz ∼ 20MHz의 주파수와 100 ∼ 3000W의 전력을 발생시키는 것으로, 진공챔버(100)에 설치된 고주파 전극에 전원을 인가하여 플라즈마를 발생시키는 것으로, 전원 인가는 전원 전환부(460)에 의해 이루어진다.

다시 말해, 전원 전환부(460)는 고전압 펄스전원부(410)와 고주파 전원부(450)를 선택적으로 연결시켜 각각의 플라즈마를 발생시키게 된다.

다시 말해, 도 4에서 도시한 바와 같이, 금속층(600)과 DLC 박막층(700)을 각각 형성할 경우, 금속층(700)은 마그네트론(430)에 의해 금속 타겟(432)이 발생된 진공챔버(100)에 고주파 전원부(450)에 의해 플라즈마를 형성시킨다.

이 플라즈마와 금속 타겟(432)은 상호 충돌되어 모재(10)에 스퍼트됨에 따라 금속층(600)을 형성시킨 후, 마그네트론(430)을 정지시켜 금속 타겟(432)의 발생을 중단시키게 된다.

그리고 가스공급부(440)에서 반응가스가 진공챔버(100)에 주입되어 고주파 전원부(450)에 의한 플라즈마에 의해 금속층(600)이 형성된 모재(10)에 DLC 박막층(700)을 형성시키는 것이다.

그리고 금속층(600)과 DLC 박막층(700) 사이에는 Me-DLC(Metal containing-Diamond Like Carbon) 박막층(800)이 더 형성될 수 있는 것으로, Me-DLC 박막층(800)은 금속 타겟(432)이 포함된 DLC 박막층을 말하는 것이다.

상기와 같은, 다수의 박막층을 형성시키는 플라즈마 박막 증착방법에 대해 알아보면, 모재 장착단계와 그리드 위치설정단계, 경화층 형성단계, 금속층 형성단계 및 DLC 박막층 형성단계로 구성된다.

모재 장착단계는 진공챔버(100) 내에 다량의 반도체 장비용 자동화 부품 및 자동차 부품 등의 모재(10)를 공·자전되는 지그(300)에 장착시키는 것이다.

그리고 그리드 위치설정단계는 고전압 펄스전원부(410)에 의해 전원이 인가되는 모재(10)와 일정거리 떨어진 곳에 동일한 고전압이 인가되는 그리드(420)를 위치시켜 증착작업을 준비하는 단계이다.

경화층 형성단계는 고전압 펄스전원부(410)을 이용하여 모재 표면에 질소이온경화층(500)을 형성시키는 것으로, 가스공급부(440)의 반응가스 중 질소(N2)를 주입하고, 고전압 펄스전원부(410)에 전원을 인가하여 플라즈마를 형성시킴으로, 질소이온경화층(500)을 형성시킬 수 있는 것이다.

이는 모재(10)의 열변형을 방지하여 불량율을 저하시킬 수 있는 것이다.

또한, 질소이온은 약 1-2μm 깊이까지 주입되어 질소이온경화층(500)을 형성시키게 된다.

그리고 금속층 형성단계는 마그네트론(430)에 의해 진공챔버(100)에 공급된 다량의 금속 타겟(432)을 스퍼터링 방법을 이용하여 질소이온경화층(500) 표면에 밀착력 향상을 위한 금속층(600)을 형성시키게 된다.

이때, 금속층(600)은 두께가 30 ~ 300nm로 형성되며, 가스공급부(440)에서 공급되는 반응가스에 의해 플라즈마를 형성시키는데, 본 발명에서는 아르곤이 주입되어 아르곤 플라즈마에 의해 금속층(600)이 형성되며, 경우에 따라 다른 반응가스를 주입시킬 수 있는 것이다.

또한, DLC 박막층 형성단계는 진공챔버(100)에 가스공급부(440)에 의해 반응가스를 주입하고, 주입된 반응가스에 고주파 전원부(450)을 연결시켜 발생된 플라즈마에 의해 금속층(600) 표면에 DLC 박막층(700)을 증착시킴으로 증착이 마무리된다.

DLC 박막층(700)은 경도가 매우 높고, 내마모성이 매우 뛰어나며, 마찰계수가 매우 낮은 순수한 박막으로, 모재(10)의 최 외측에 형성되어 모재의 수명을 연장시키고, 기능을 향상시키는 것이다.

이때, 금속층 형성단계와 상기 DLC 박막층 형성단계 사이에는 Me-DLC 박막층 형성단계가 더 구비되어 금속층(600)의 열팽창계수를 저하시키고, DLC 박막층(700)의 결합력을 향상시킬 수 있다.

Me-DLC 박막층(800)은 금속 타겟(432)과 반응가스를 동시에 공급하여 금속층(600) 표면에 금속을 함유한 Me-DLC 박막층(800)을 형성시키는 것이다.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 Me-DLC 박막층(800)을 금속층(600)과 DLC 박막층(700) 사이에 형성시킬 경우, 금속층(600)이 형성된 후, 마그네트론(430)을 작동시켜 금속 타겟(432)을 발생시키면서 가스공급부(440)를 작동시켜 반응가스를 주입하게 된다.

상기와 같이 금속 타겟(432)과 반응가스를 동시에 공급하게 되면, 고주파 전원부(450)의 플라즈마에 의해 금속층(600)이 형성된 모재(10)에 Me-DLC 박막층(800)을 형성하게 된다.

Me-DLC 박막층(800)을 일정 두께로 형성하면, 직류전원(434)을 차단시켜 마그네트론(430)의 작동을 중단시키게 되어 Me-DLC 박막층(800)이 형성된 모재(10)에 DLC 박막층(700)을 형성시킨다.

이는, Me-DLC 박막층(800)이 금속층(600)과 DLC 박막층(700) 사이에서 열팽창계수를 저하시키고, DLC 박막층(700)의 결합력을 향상시켜주는 것이다.

또한, 금속층 형성단계와 DLC 박막층 형성단계 사이에는 1차 Me-DLC 박막층 형성단계와 2차 금속층 형성단계 및 2차 Me-DLC 박막층 형성단계가 더 이루어질 수 있다.

도 6에서 도시한 바와 같이, 1차 Me-DLC 박막층 형성단계는 금속 타겟(432)과 반응가스를 동시에 공급하여 금속층(600) 표면에 금속을 함유한 1차 Me-DLC 박막층(800)을 형성시켜 2차 금속층(610)의 결합력을 향상시키게 된다.

그리고 2차 금속층 형성단계는 진공챔버(100)에 공급된 다량의 금속 타겟(432)을 스퍼터링 방법을 이용하여 1차 Me-DLC 박막층(800) 표면에 밀착력 향상을 위한 2차 금속층(610)을 형성시킴으로, 열팽창계수를 저하시키게 된다.

2차 Me-DLC 박막층 형성단계는 금속 타겟(432)과 반응가스를 동시에 공급하여 상기 2차 금속층(610) 표면에 금속을 함유한 2차 Me-DLC 박막층(810)을 형성시켜 DLC 박막층(700)의 결합력을 향상시킬 수 있다.

이는, 열전도율을 상승시켜 모재(10)의 열팽창계수를 저하시키게 되어 마모도를 감소시킬 수 있어 마찰계수를 더욱 감소시킬 수 있게 된다.

상기와 같이 형성된 박막은 <표 1>의 내마모/저마찰 박막과 DLC 박막의 특성에 관한 비교에서 알 수 있고,

<표 1>

순수한 물과 소금물(염도 20%)에 대한 방습효과는 <표 2>에서 알 수 있듯이 종래의 레이던트 코팅과 비슷하게 얻어졌고,

<표 2>

<표 3>에 알 수 있듯이 표면 경도값(H_RC, Knoop hardness)은 레이던트 박막과 비교하였을 때 최소 2.1배, 최대 2.6배의 차이가 발생됨을 알 수 있다.

<표 3>

도 7에서 도시한 바와 같이, 산업적 응용에서 가장 중요한 내마모, 저마찰 특성은 핀-디스크 마찰마모시험기로 측정한 결과 마찰계수는 종래의 레이던트 코팅보다 약 4 ∼ 5배 작은 값이 얻어짐을 알 수 있다.

그리고 도 8에 도시된 바와 같이, 마모결과를 비교한 서피스 프로파일(Surface Profile) 데이터를 보면 폭 방향으로는 약 1.5배, 깊이방향으로는 약 4.6배 작은 값이 얻어졌다.

즉, 깊이방향으로의 내마모성이 4.6배, 폭 방향으로는 1.5배 향상되었음을 나타내는 것으로써, 본 발명인 반도체 장비용 자동화 부품과 자동차 부품의 플라즈마 박막증착 장비 및 그 방법에 의해 매우 신뢰성이 높은 박막이 얻어졌음을 알 수 있다.

아울러 동시에 20개 이상의 부품을 1회에 동시에 처리할 수 있게 되어 기존의 문제점이었던 대량생산 문제도 어느 정도 해결되었다고 할 수 있다.

상기와 같은, 플라즈마 박막 증착장치 및 그 방법에 의해 내마모 저마찰 박막이 증착된 모재는 반도체 장치용 자동화 부품인 LM 가이드, LM 볼 스크류, LM 샤프트의 재료표면과 자동차 부품인 피스톤 핀, 커넥팅 로드, 그랙 암 등이 있으며, 일 예로, 도 9에 도시한 바와 같이, LM 가이드 레일(a) 및 LM 샤프트(b) 등이 있으며, 이러한 모재(10)들은 진공챔버(100)에 다수 개 넣어 1회에 증착시킬 수 있는 것이다.

도 1은 종래 레이던트(RAYDENT) 코팅방법과 코팅을 도시한 도면이고,

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 박막증착 장치의 평면도를 도시한 도면이며,

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 박막증착 장치의 내부를 도시한 도면이고,

도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 박막 증착장치 및 그 방법에 의한 박막의 일 실시 예를 도시한 도면이며,

도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 박막 증착장치 및 그 방법에 의한 박막의 다른 실시 예를 도시한 도면이고,

도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 박막 증착장치 및 그 방법에 의한 박막의 또 다른 실시 예를 도시한 도면이며,

도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 박막 증착장치 및 그 방법에 의한 박막과 종래 레이던트(RAYDENT) 코팅의 마찰계수를 도시한 도면이고,

도 8은 본 발명에 따른 플라즈마 박막 증착장치 및 그 방법에 의한 박막과 종래 레이던트(RAYDENT) 코팅의 마모시험을 도시한 도면이며,

도 9는 본 발명에 따라 (a)LM 가이드와 (b)LM 샤프트 등의 모재 표면에 박막이 증착된 샘플 도면이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 모재 100 : 진공챔버

200 : 진공배기부 300 : 공·자전지그

400 : 표면처리부 410 : 고전압 펄스전원부

420 : 그리드 430 : 마그네트론

432 : 금속 타겟 434 : 직류전원

440 : 가스공급부 450 : 고주파 전원부

460 : 전원 전환부 500: 질소이온경화층

600 : 금속층 610 : 2차 금속층

700 : DLC 박막층 800 : Me-DLC 박막층

810 : 2차 Me-DLC 박막층

Claims

내측에 공간부가 형성된 진공챔버;

상기 진공챔버 내부를 진공으로 만드는 진공배기부;

상기 진공챔버 내부에 공전 및 자전 가능하도록 설치되고, 반도체 장비용 자동화 부품 및 자동차 부품의 모재를 다수 개 고정시켜 공·자전시키는 공·자전 지그; 및

고전압 펄스전원에 의해 플라즈마를 형성시켜 상기 고정된 모재 표면에 다수 층의 박막을 증착시키는 표면처리부를 포함하여 이루어지며,

상기 표면처리부는,

상기 진공챔버에 주입된 질소 또는 아르곤과 고전압 펄스전원에 의해 플라즈마를 형성시켜 모재의 표면을 활성화시키고, 발생된 질소 플라즈마 내의 질소이온을 모재 표면에 가속시켜 모재 표면에 질소이온경화층을 형성시키기 위한 고전압 펄스전원부;

고전압 펄스전압을 인가받아 질소이온을 유도하는 그리드;

상기 진공챔버에 반응가스를 주입시키는 가스공급부;

아르곤 플라즈마를 형성시키고, 금속 타겟과 충돌시켜 상기 질소이온경화층이 형성된 모재 표면에 스퍼트 증착시킴으로써 금속층을 형성시키며, 상기 가스공급부에서 공급된 반응가스로 상기 금속층이 형성된 모재 표면에 DLC(Diamond Like Carbon) 박막층을 형성시키는 고주파 전원부;

상기 금속 타겟에서 방출되는 입자를 가속시키는 마그네트론; 및

상기 고전압 펄스전원부와 고주파 전원부를 선택적으로 연결시키는 전원 전환부를 포함하여 이루어지는 플라즈마 박막 증착장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 마그네트론의 금속 타겟은 티탄(Ti), 텅스텐(W), 규소(Si), 게르마늄(Ge) 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 박막 증착장치.
제1항에 있어서, 상기 가스공급부의 반응가스는,

아르곤(Ar), 질소(N2), 산소(O2) 중 선택된 어느 하나 이상과 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10), 에탄(C2H6) 중 선택된 어느 하나 이상을 일정비율로 사용되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 박막 증착장치.
제1항에 있어서, 상기 고주파 전원부는,

상기 모재 표면에 금속층을 형성시킨 후,

상기 진공챔버에서 금속 타겟에서 방출되는 입자를 가속시키는 동시에 반응가스를 공급하여, 상기 모재에 금속이 포함된 Me-DLC(Metal containing-Diamond Like Carbon) 박막층을 상기 금속층과 DLC(Diamond Like Carbon) 박막층 사이에 하나 이상 더 형성시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 박막 증착장치.
삭제
진공챔버 내에 다량의 반도체 장비용 자동화 부품 및 자동차 부품의 모재를 공·자전되는 지그에 장착하는 모재 장착단계;

고전압 펄스전원부에 의해 고전압 펄스전압을 인가받아 질소이온을 유도하기 위한 그리드를 위치시키는 그리드 위치설정단계;

고전압 펄스전원부에 의해 형성된 질소 플라즈마에서 고전압 펄스전압을 인가받은 모재 표면에 질소이온경화층을 형성시키는 경화층 형성단계;

고주파 전원부에 의해 형성된 아르곤 플라즈마가 마그네트론의 금속 타겟에 충돌됨에 따라 금속 입자가 방출되어 질소이온경화층이 형성된 상기 모재에 금속층을 형성시키는 금속층 형성단계; 및

가스공급부에 의해 상기 진공챔버에 반응가스를 공급한 후, 모재가 장착된 지그에 고주파 전원부의 고주파 전원을 인가하여 플라즈마를 발생시킴에 따라 금속층이 형성된 모재에 DLC 박막층을 증착하는 DLC 박막층 형성단계를 포함하여 이루어지는 플라즈마 박막 증착방법.
제7항에 있어서, 상기 금속층 형성단계와 상기 DLC 박막층 형성단계 사이에는,

상기 금속 타겟으로부터 방출된 금속 입자를 공급함과 동시에 반응가스를 공급하여 상기 금속층 표면에 금속을 함유한 Me-DLC 박막층을 형성시키는 Me-DLC 박막층 형성단계가 더 구비되어 금속층의 열팽창계수를 저하시키고, DLC 박막층의 결합력을 향상시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 박막 증착방법.
제7항에 있어서, 상기 금속층 형성단계와 상기 DLC 박막층 형성단계 사이에는,

상기 금속 타겟으로부터 방출된 금속 입자를 공급함과 동시에 반응가스를 공급하여 상기 금속층 표면에 금속을 함유한 1차 Me-DLC 박막층을 형성시키는 1차 Me-DLC 박막층 형성단계;

상기 진공챔버에 공급된 다량의 금속타겟을 스퍼터링 방법을 이용하여 1차 Me-DLC 박막층 표면에 밀착력 향상을 위한 금속층을 형성시키는 2차 금속층 형성단계; 및

상기 금속 타겟에서 방출되는 입자를 가속시키는 동시에 반응가스를 공급하여 상기 2차 금속층 표면에 금속을 함유한 2차 Me-DLC 박막층을 형성시키는 2차 Me-DLC 박막층 형성단계를 더 포함하여 이루어지는 플라즈마 박막 증착방법.
제7항에 있어서,

상기 마그네트론의 금속 타겟은 티탄(Ti), 텅스텐(W), 규소(Si), 게르마늄(Ge) 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 박막 증착방법.
제7항에 있어서, 상기 가스공급부의 반응가스는,

아르곤(Ar), 질소(N2), 산소(O2) 중 선택된 어느 하나 이상과 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10), 에탄(C2H6) 중 선택된 어느 하나 이상을 일정비율로 사용되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 박막 증착방법.
삭제
제7항에 있어서,

상기 그리드와 모재 표면에 인가되는 고전압 펄스전원은 30kV, 펄스폭 5μsec, 펄스주파수 최대 500Hz인 것을 특징으로 하는 플라즈마 박막 증착방법.
삭제