KR101318762B1 - Ｄｌｃ 필름 코팅 물품, 그 제조 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 DLC 필름 코팅 장치는, 불활성 가스가 주입되는 진공 챔버; 상기 진공 챔버 내부에 상호 대향 배치되는 흑연 타겟 및 모재; 상기 흑연 타겟 주위에 스퍼터링 효율 증가를 위한 자기장을 형성하는 자기장 형성 부재; 상기 모재에 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 전원: 및 상기 모재의 표면에 복수의 서브층들로 이루어진 DLC(diamond-like carbon) 필름이 코팅되도록, 상기 바이어스 전압을 제어하는 바이어스 콘트롤러;를 포함한다.

Description

ＤＬＣ 필름 코팅 물품, 그 제조 장치 및 방법{DLC FILM-COATED PRODUCT, APPARATUS AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 DLC 필름 코팅 물품, 그 제조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 멀티층(multi-layer)을 갖는 DLC 필름이 코팅된 DLC 필름 코팅 물품, 그 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
DLC(Diamond-Like Carbon)는 높은 경도(hardness)와 내마모성(wear resistance) 및 낮은 마찰(low friction)과 같은 우수한 기계적 성질들을 갖는 것에 기해, 특히 마찰공학적(tribological) 응용 분야에서 부품의 수명 연장을 위해 널리 사용되고 있다.
어떤 부품에 DLC 필름을 코팅하기 위해 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 기술이 종종 사용된다. 마그네트론 스퍼터링은 일종의 증착(deposition) 기술로서, 코팅 물질로 이루어진 타겟에 불활성 가스를 충돌시킴으로써 코팅 물질이 타겟으로부터 인출되어 모재(母材)에 증착되도록 하는 기술이다. 모재에는 큰 절대값을 갖는 음의 바이어스 전압(bias voltage)이 인가될 수 있으며, 이러한 바이어스 전압은 코팅된 DLC 필름에 내재적인 압축 잔류 응력(conpresive residual stress)을 유발한다.
이러한 압축 잔류 응력은 DLC 필름의 내마모성 약화와 같은 마찰공학적 성질에 나쁜 영향을 끼칠 수 있다. 이에 압축 잔류 응력을 감소시키 위해 써멀 어닐링(thermal annealing), 아르곤 플라즈마 에칭(argon plasma etching)과 같은 여러 가지 코팅 공정들이 시도되었다. 하지만 이러한 접근 방법들은 흑연화(graphitization)를 초래함으로써 DLC 필름의 경도 및 내마모성을 약화시키기 때문에 부적절한 측면이 있다.
따라서 DLC 필름의 형성 도중 모재에 바이어스 전압을 인가함으로써 DLC 필름에 발생되는 압축 잔류 응력으로 인한 DLC 필름의 기계적 특성의 악화 문제를 개선할 필요성이 있다.
본 발명은 DLC 필름의 물리적 성질들이 개선된 DLC 필름 코팅 물품, 그 제조 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
이에 따라, 본 발명은, 불활성 가스가 주입되는 진공 챔버; 상기 진공 챔버 내부에 상호 대향 배치되는 흑연 타겟 및 모재; 상기 흑연 타겟 주위에 스퍼터링 효율 증가를 위한 자기장을 형성하는 자기장 형성 부재; 상기 모재에 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 전원: 및 상기 모재의 표면에 복수의 서브층들로 이루어진 DLC(diamond-like carbon) 필름이 코팅되도록, 상기 바이어스 전압을 제어하는 바이어스 콘트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 DLC 필름 코팅 장치를 제공한다.
여기서, 상기 바이어스 콘트롤러는 서로 다른 값의 제1 바이어스 전압 및 제2 바이어스 전압을 교대로 발생시키도록 상기 바이어스 전원을 제어할 수 있다.
상기 제1 바이어스 전압은 -200 V이고 상기 제2 바이어스 전압은 0 V 이며, 상기 제1 바이어스 전압과 상기 제2 바이어스 전압은 동일 시간 동안 지속될 수 있다.
상기 불활성 가스는 아르곤 가스이며, 상기 모재는 배향이 (100)인 실리콘 기판일 수 있다.
본 발명은 또한, 진공 챔버 내에 흑연 타겟과 마주하도록 모재를 배치하는 단계; 상기 진공 챔버 내에 불활성 가스를 주입하는 단계; 및 상기 흑연 타겟에는 일정값의 스퍼터링용 전압을 인가하며 상기 모재에는 시간에 따라 변동하는 바이어스 전압을 인가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 DLC 필름 코팅 방법을 제공한다.
여기서, 상기 모재에는 서로 다른 값의 제1 바이어스 전압 및 제2 바이어스 전압이 교대로 인가될 수 있다.
상기 제1 바이어스 전압은 -200 V이고 상기 제2 바이어스 전압은 0 V 이며, 상기 제1 바이어스 전압과 상기 제2 바이어스 전압은 동일 시간 동안 지속될 수 있다.
본 발명은 또한, 모재 및 상기 모재의 표면에 코팅된 DLC 필름을 포함하는 DLC 필름 코팅 물품으로서, 상기 DLC 필름은 복수의 서브층들로 이루어지며 상기 복수의 서브층들은 물리적 성질이 서로 다른 둘 이상의 유형들을 포함하는 것을 특징으로 하는 DLC 필름 코팅 물품을 제공한다.
여기서, 상기 복수의 서브층들은 교대로 배치된 제1 유형의 서브층과 제2 유형 서브층을 포함하며 상기 제1 유형의 서브층은 상기 제2 유형의 서브층보다 밀도가 더 높은 것일 수 있다.
상기 모재는 배향이 (100)인 실리콘 기판일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DLC 필름 코팅 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 2는 도 1의 DLC 필름 코팅 장치에 구비된 바이어스 전원이 발생하는 전압을 시간에 따라 도시하는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DLC 필름 코팅 물품을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명 및 종래 기술에 따른 4개의 DLC 필름들의 압축 잔류 응력을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명 및 종래 기술에 따른 4개의 DLC 필름들의 경도 및 탄성계수를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명 및 종래 기술에 따른 4개의 DLC 필름들의 수직 하중에 따른 마모 깊이를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 DLC 필름 코팅 장치 및 방법, 그리고 이들 장치 및 방법에 따라 제조되는 DLC 필름 코팅 물품에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 도 1 및 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 DLC 필름 코팅 방법에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DLC 필름 코팅 장치를 개략적으로 도시하는 단면도이며, 도 2는 도 1의 DLC 필름 코팅 장치에 구비된 바이어스 전원이 발생하는 전압을 도시하는 그래프이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 DLC 필름 코팅 장치(1)는 마그네트론 스퍼터링 장치로서, 진공 챔버(10), 모재 지지대(20), 자기장 형성 부재(30), 스퍼터링용 전원(40), 바이어스 전원(50), 및 바이어스 콘트롤러(60)를 포함한다.
진공 챔버(10)는 내부에 증착 공간이 구비된 대략 육면체 형상을 가지며, 아르곤(Ar) 가스의 주입 및 배출을 위한 가스 주입구(11) 및 가스 배출구(12)가 형성되어 있다. 도 1에 도시되지는 않았으나, 진공 챔버(10)에는 진공 챔버(10) 내부를 진공으로 유지하기 위한 진공계 및 진공 챔버(10)를 냉각시키기 위한 냉각계가 설치되어 있다.
진공 챔버(10) 내부에는 모재 지지대(20)와 자기장 형성 부재(30)가 서로 대향 배치되어 있다. 모재 지지대(20) 상에는 DLC 필름이 코팅될 모재(母材: S)가 안착되며 자기장 형성 부재(30) 위에는 흑연 타겟(T: graphite target)이 배치된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이들 모재(S)와 흑연 타겟(T)은 서로 거리를 두고 마주보도록 배치된다. 여기서 모재(S)는 배향이 (100)인 실리콘 기판(Si substrate)으로 구비된다. 하지만 모재(S)는 베어링 공구강과 같이 DLC 코팅이 가능한 다른 부품들이 적용될 수도 있다. 상기 자기장 형성 부재(30)는 영구 자석을 포함하며 흑연 타겟(T) 주위에 스퍼터링 효율 증가를 위한 자기장을 형성한다. 즉, 흑연 타겟(T)에서는 방전된 아르곤 가스와의 충돌로 인한 탄소의 스퍼터링이 발생하는데, 자기장 형성 부재(30)에 의해 형성된 자기장에 의해 흑연 타겟(T) 주변에 아르곤 이온 밀도가 상승함으로써 탄소의 스퍼터링 양이 증가될 수 있다.
상기 흑연 타겟(T)에는 스퍼터링용 전원(40)이 연결되어 있다. 스퍼터링용 전원(40)은 방전된 아르곤 이온에 흑연 타겟(T)으로의 가속을 위한 에너지를 공급하기 위한 전기장을 전공 챔버(10) 내에 형성한다. 한편 모재(S)에는 바이어스 전원(50)이 연결되어 있다. 바이어스 전원(50)으로는 직류(DC) 전원이 사용된다. 바이어스 전원(50)이 없더라도 모재(S)에 스퍼터링된 탄소들이 증착될 수 있으나, 바이어스 전원(50)에 의해 모재(S)에 바이어스 전압이 인가됨으로써 모재(S)에 대한 탄소의 증착이 보다 활성화될 수 있다.
상기 바이어스 전원(50)에는 바이어스 콘트롤러(60: bias controller)가 연결되어 있다. 바이어스 콘트롤러(60)는 바이어스 전원(50)으로부터 모재(S)에 인가되는 바이어스 전압을 제어한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 바이어스 콘트롤러(60)에 의해 바이어스 전원은 '-200 V'에 해당하는 제1 바이어스 전압과 '0 V'에 해당하는 제2 바이어스 전압을 교대로 발생시키도록 제어된다. 그리고 이들 제1 및 제2 바이어스 전압은 동일 시간 동안 지속된다. 본 실시예에서와는 달리 제1 및 제2 바이어스 전압의 크기 및 지속 시간은 모재의 종류, 불활성 가스의 종류 등과 같은 주변 조건들에 따라 다른 값으로 선택될 수도 있다.
도 1 및 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 DLC 필름 코팅 방법을 설명한다.
먼저, 실리콘 기판으로 구비된 모재(S)를 RCA 습식 에칭(RCA wet etching)을 사용하여 세정함으로써 그 표면에 자연적으로 존재하는 산화물층(oxide layer)을 제거한다. 다음으로, 자기장 형성 부재(30) 상측에 흑연 타겟(T)을 장착시키고 모재 지지대(20) 상에 세정된 모재(S)를 안착시킨다. 다음으로, 가스 주입구(11)를 통해 진공 챔버(10) 내부에 아르곤 가스를 주입하고 진공계(미도시)를 통하여 진공 챔버(10)의 내부 압력을 떨어뜨려 진공 챔버(10)를 사실상 진공으로 만든다. 진공 상태에서 진공 챔버(10) 내의 아르곤 가스는 방전되어 아르곤 이온과 전자를 양산한다.
다음으로, 흑연 타겟(S)에 스퍼터링용 전원(40)을 통하여 스퍼터링용 전압을 인가하며 모재(S)에는 바이어스 전원(50)을 통하여 바이어스 전압을 인가한다. 전술한 바와 같이, 바이어스 콘트롤러(60)에 의해 바이어스 전압은 -200 V의 제1 바이어스 전압과 0 V의 제2 바이어스 전압이 교대로 인가된다. 또한 도 2에 도시된 바와 같이, 바이어스 전압은 전체적으로 10 분 동안 가해지되, 제1 및 제2 바이어스 전압이 10 초씩 교대로 인가된다. 스퍼터링용 전압 및 바이어스 전압이 인가됨에 따라, 방전된 아르곤 가스들이 흑연 타겟(T)에 충돌하여 흑연 타겟(T)으로부터 탄소 원자들이 스퍼터링되고, 스퍼터링된 탄소 원자들은 모재(S) 상에 증착되어 DLC 필름을 형성한다.
이러한 DLC 필름 코팅 방법에 의해 형성된 DLC 필름 코팅 물품을 도 3에 개략적으로 도시하였다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DLC 필름 코팅 물품을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 DLC 코팅 물품(100)은 모재(S) 및 DLC 필름(110)을 포함한다. 전술한 바와 같이 모재(S)는 배향이 (100)인 실리콘 기판이다. 그리고 DLC 필름(110)은 복수의 서브층들(sub-layers)로 구성된다. 보다 구체적으로, 복수의 서브층들은 상대적으로 밀도가 높은 제1 유형의 서브층들 즉 경층들(HL1, HL2: hard layer), 및 상대적으로 밀도가 낮은 제2 유형의 서브층들 즉 연층들(SL1, SL2: soft layer)로 구성된다. 이처럼 DLC 필름(110)은 단일층(single-layer)으로 구성되는 것이 아니라, 물리적 성질이 서로 다른 경층(HL1, HL2)과 연층(SL1, SL2)이 교대로 반복된 멀티층(multi-layer)으로 구성된다.
이처럼 DLC 필름(110)이 경층과 연층의 멀티층으로 이루어지는 것은, DLC 필름(110) 형성 과정에서 모재(S)에 서로 다른 값의 제1 바이어스 전압(-200 V)과 제2 바이어스 전압(0 V)이 인가됨으로써, 제2 바이어스 전압 인가시보다 제1 바이어스 전압 인가시에 탄소 원자가 모재(S) 상에 보다 밀하게 증착되기 때문이다. 전술한 바와 같이, 제1 바이어스 전압과 제2 바이어스 전압은 10 초씩 교대로 인가되며 전체적으로는 10 분 지속된다. 따라서, 도 3에서 경층과 연층은 도면 구성의 편의상 각각 2개인 것으로 도시되어 있지만, 실제 DLC 필름(110)은 그보다 훨씬 많은 개수의 경층들과 연층들을 포함할 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 DLC 필름(110)을 종래 기술에 따른 DLC 필름과 비교해 보기 위해, 본 발명 및 종래 기술을 각각 적용하여 배향이 (100)인 실리콘 기판 상에 DLC 필름들을 제조하였다.
본 발명을 적용하여 멀티층으로 구성된 두 가지 DLC 필름들(이른바 멀티층 A, 멀티층 B)을 형성하였다. 멀티층 A 및 B 형성 과정에서 작동 온도(working temperature)는 각각 300 ℃ 및 실내 온도(room temperature)로 선택되었으며 나머지 조건들은 실질적으로 동일하게 설정되었다. 이때 바이어스 전압은 도 2에 도시된 바와 같이 -200 V의 제1 바이어스 전압과 0 V의 제2 바이어스 전압이 교대로 인가되도록 제어되었다.
종래 기술을 적용하여 단일층으로 구성된 두 가지 DLC 필름들(이른바 단일층 C, 단일층 D)을 형성하였다. 단일층 C 및 D 형성 과정에서 바이어스 전압은 각각 0 및 -200 V로 일정하게 유지되었으며 나머지 조건들은 실질적으로 동일하게 설정되었다.
우선, 이들 4개의 DLC 필름들에 대하여 잔류 응력을 측정하였다. 잔류 응력의 측정은 하기와 같은 스토니 공식(Stoney's formula)을 사용하였으며, 그 측정 결과를 도 4에 도시하였다.
Figure 112010024020216-pat00001
tf : DLC 필름의 두께(nm),
ts : 기판의 두께(nm),
Es : 기판의 탄성계수(GPa),
1/R : DLC 필름의 곡률 반경(radius of curvature)
도 4를 참조하면, 멀티층 A, B의 압축 잔류 응력은 각각 0.09, 0.12 GPa으로 나타났으며, 단일층 C, D의 압축 잔류 응력은 각각 1.48, 4.01 GPa로 나타났다. 이와 같이 본 발명에 따른 DLC 필름은 종래 기술에 따른 DLC 필름보다 압축 잔류 응력이 현저히 감소됨을 알 수 있다. 잔류 응력은 DLC 필름에 갈라짐(delaminating) 현상을 유발할 수 있어서 마모 특성에 부정적인 영향을 끼칠 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 DLC 필름은 잔류 응력 감소로 인한 개선된 마모 특성을 갖게 된다.
그리고, 상기 4개의 DLC 필름들에 대하여 경도(hardness) 및 탄성계수(elastic modulus)를 측정하여 그 결과를 도 5에 도시하였다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 멀티층 A, B는 종래 기술에 따른 단일층 C, D보다 경도 및 탄성계수가 모두 크게 나타남을 알 수 있다. 특히, 멀티층 B의 경우 다른 층들에 비해 상당히 큰 값의 경도(18 GPa) 및 탄성계수(203 GPa)를 나타냈다. 이로부터 본 발명에 따른 DLC 필름은 종래 기술에 따른 DLC 필름에 비하여 상대적으로 더 단단할 뿐만 아니라 상대적으로 소성 변형(plastic deformation)의 가능성이 적음을 알 수 있다.
마지막으로, 상기 4개의 DLC 필름들에 대하여 마모 테스트를 수행하였으며, 이 테스트에서는 DLC 필름들에 수직 하중(normal load)을 증가시켜 가면서 그에 따른 마모 깊이들이 측정되었다. 그리고 그 결과를 도 6에 도시하였다.
도 6을 참조하면, 종래 기술에 따른 단일층 C, D의 마모 깊이는 수직 하중 증가에 따라 선형적으로 증가하며 본 발명에 따른 멀티층 A, B의 마모 깊이보다 상당히 크게 나타남을 확인할 수 있다. 이로부터 본 발명에 따른 DLC 필름은 종래보다 내마모성(wear resiatance)이 향상됨을 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 DLC 필름 코팅 장치 및 방법에 따르면, 경층과 연층이 교대로 배치된 멀티층의 DLC 필름을 형성할 수 있다. 그리고, 본 발명에 따라 형성된 DLC 필름은 종래에 비하여 잔류 응력이 감소되고 경도 및 탄성계수가 증가하며, 이로 인하여 내마모성이 개선되는 등 종래에 비하여 향상된 기계적 특성들을 갖는다.
1 : DLC 필름 코팅 장치 10 : 진공 챔버
11 : 가스 주입구 12 : 가스 배출구
20 : 모재 지지대 S : 모재(기판)
30 : 자기장 형성 부재 T : 흑연 타겟
40 : 스퍼터링용 전원 50 : 바이어스 전원
60 : 바이어스 콘트롤러 110 : DLC 필름
HL1, HL2 : 경층(hard layer) SL1, SL2 : 연층(soft layer)

Claims (10)

  1. 불활성 가스가 주입되는 진공 챔버;
    상기 진공 챔버 내부에 상호 대향 배치되는 흑연 타겟 및 모재;
    상기 흑연 타겟 주위에 스퍼터링 효율 증가를 위한 자기장을 형성하는 자기장 형성 부재;
    상기 모재에 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 전원: 및
    상기 모재의 표면에 복수의 서브층들로 이루어진 DLC(diamond-like carbon) 필름이 코팅되도록, 상기 바이어스 전압을 제어하는 바이어스 콘트롤러;를 포함하며,
    상기 바이어스 콘트롤러는 서로 다른 값의 제1 바이어스 전압 및 제2 바이어스 전압을 교대로 발생시키도록 상기 바이어스 전원을 제어하는 것을 특징으로 하는 DLC 필름 코팅 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 바이어스 전압은 -200 V이고 상기 제2 바이어스 전압은 0 V 이며, 상기 제1 바이어스 전압과 상기 제2 바이어스 전압은 동일 시간 동안 지속되는 것을 특징으로 하는 DLC 필름 코팅 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 아르곤 가스이며, 상기 모재는 배향이 (100)인 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 DLC 필름 코팅 장치.
  5. 진공 챔버 내에 흑연 타겟과 마주하도록 모재를 배치하는 단계;
    상기 진공 챔버 내에 불활성 가스를 주입하는 단계; 및
    상기 흑연 타겟에는 일정값의 스퍼터링용 전압을 인가하며 상기 모재에는 시간에 따라 변동하는 바이어스 전압을 인가하는 단계;를 포함하며,
    상기 바이어스 전압을 인가하는 단계에서, 상기 모재에는 서로 다른 값의 제1 바이어스 전압 및 제2 바이어스 전압을 교대로 인가하는 것을 특징으로 하는 DLC 필름 코팅 방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 바이어스 전압은 -200 V이고 상기 제2 바이어스 전압은 0 V 이며, 상기 제1 바이어스 전압과 상기 제2 바이어스 전압은 동일 시간 동안 지속되는 것을 특징으로 하는 DLC 필름 코팅 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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