KR101640415B1 - Ｐｖｄ 방법을 통한 기판을 전처리 하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 아크 증발 소스(arc vaporization source)의 일부이고 목표로 구현된 제 1 전극(electrode)을 가지고, 상기 제1 전극을 써서, 아크는 아크 전류로 작동되고, 작업물 위로 적어도 부분적 및 단속적으로 증착(deposit)되는 재료를 목표물로부터 증발시키고; 작업물 홀더(holder)로 구현되고, 상기 작업물과 함께, 바이어스 전극을 구성하는 제 2 전극을 가지고, 전압 공급기를 써서, 기본적으로 아크 전류에 부합(match)되도록 바이어스 전압이 상기 바이어스 전극에 인가되고, 작업물의 표면 상에서 네트 재료(net material) 증강이 일어나지 않는 진공 처리 시스템(vacuum treatment system)에서의 작업물의 표면 처리 방법에 관한 것이다.

Description

ＰＶＤ 방법을 통한 기판을 전처리 하는 방법{Method for Pretreating Substrates for PVD Methods}

본 발명은, PVD 방법을 사용하여 기판 상의 레이어 증착(layer deposition) 이전에 보통의 방법으로 수행될 수 있는 기판을 전처리(pretreat)하는 방법에 관한 것이다.

음극 아크 증착방법(Cathodic arc deposition)은 수 년 동안 사용되어 온 방법으로서, 공구 및 부품으로 레이어 증착에 사용되며, 금속 질화물, 금속 탄화물, 및 금속 탄소 질화물뿐 아니라 다양한 종류의 금속 레이어를 증착 시키도록 사용된다. 이러한 방법에 있어서, 낮은 전압 및 높은 전류에서 목표(음극) 재료가 증발하는 상태로 작동되는 아크 방전 프로세스(arc discharging process)의 음극을 그 목표물로 한다. DC 파워 공급기는 상기 아크 방전 프로세스를 작동시키는 가장 싸고 간단한 파워 공급기로서 사용된다.

음극 아크 방전에 의해 증발되는 재료가 높은 이온 비율을 담고 있다는 것은 이미 알려져 있다. 존슨 저, "P.C. in Physics of Thin Films," vol. 14, Academic Press, 1989, pp. 129-199에는 상기 이온들의 비율 값은 30% 내지 100%이라도 기재되어 있으며, 이는 음극의 성분과 방전 전하의 크기에 따른 것이다. 이러한 이온화된 증기의 높은 비율은 레이어 합성(layer synthesis)에 있어 바람직하다.

고도의 이온화는 특히 레이어 합성이 기판 상에 네거티브 바이어스(negative bias)와 결합된 때 상기 레이어 합성에 특히 유리한 것으로 밝혀졌으며, 이로써 기판을 향한 이온들의 에너지 및 가속도를 증가시키고 변경할 수 있게 한다. 이러한 방법으로 합성된 레이어들은 더 높은 밀도를 가지며, 레이어 스트레스(stress)와 상기 바이어스 전압의 변화에 의한 레이어의 형태와 같은 레이어 특성에 영향을 줄 수 있다.

하지만, 아크 증발(Arc vaporization)은 상기 증발된 재료의 녹는점에 의존한다는 사실 또한 알려져 있으며, 이는 기본적으로 바라지 않은 많은 양 또는 적은 양의 액적(droplet)을 생성한다. 이러한 액적의 비율은 보통 증발 재료의 이온화 정도를 나타낼 때 고려되지 않지만, 이는 레이어의 품질에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 특별한 자기장원 또는 추가적인 필터(Aksenov, I. I. 등의 Sov. J. Plasma Phys. 4(4) (1978) 425에 나타난 기계적이고 전자기적인 자기장원 및 필터)를 사용하여, 증발된 재료에서 상기 액적의 비율을 줄이거나 또는 상대적으로 가스압력을 증가시키는 것과 같이 그 밖의 공정 파라메터를 사용하여 상기 액적의 비율을 줄이는 것이 바람직하다. 또한, 더 높은 녹는점을 가지는 재료의 사용 역시 액적의 크기와 그 수를 줄이기 위하여 계획될 수 있다.

증발된 재료의 상기 이온화 부분은 아크 증기에서 발견되며, 또한 기판을 전처리 하는 데 사용될 수 있다. 기판의 바이어스 전압을 성공적으로 증가시킴으로써, 증발된 재료의 증기 이온과 작동 가스(working gas)의 충돌은 상기 기판이 높은 온도에서 스퍼터(sputter) 및/또는 가열시킬 수 있는 정도까지 이루어질 수 있다.

일반적으로, 이러한 프로세스 단계는 금속 이온 에칭으로서 언급되지만, 이는 작동 가스 또는 반응성 가스(reactive gas)의 관습적 또는 필수적 사용에 의해 생성되는 상기 이온들을 개념적으로 포함하고 있지 않기 때문에 다소 불명확한 명칭이다. 하지만, 일반적으로, 작동 가스 이온들(보통 아르곤(argon) 같은 비활성 가스가 사용된다)의 비율을 줄이거나 또는 상기 작동 가스를 완전히 제거하는 것이 바람직하다. 비활성 가스들이 안정된 방식으로 레이어에 포함될 수 없는 하나의 이유는, 이들이 서로 결합하지 않고, 더 나아가 스트레스가 발생하기 때문이다. 하지만 일반적으로, 가스(작동 가스 또는 반응성 가스) 공급이 없이는 아크 소스(arc source)의 연속적인 작동이 쉽지 않다. 만약 아크 소스가 작동 가스 없이 작동되어야만 한다면, 예를 들면 이온 주입 용 이온 소스, 상기 아크 소스는 펄스 방식(pulsed fashion)으로 작동된다, 즉 상기 아크는 가스가 추가 되지 않는다면, 오직 짧은 시간 동안만 "살아있기" 때문에 상기 소스는 반드시 계속적으로 재점화(reignite) 되어야만 한다. 이러한 방법의 예가 JP 01042574에 기재되어 있다.

기판의 가열뿐 아니라 이온 충돌(ion bombardment)을 사용한 기판의 전처리 및 이온을 사용한 기판의 관련 에칭에 대해서는 이미 US 4734178에 기제되어 있다.

금속 이온을 사용한 에칭은 기판의 간단한 가열 또는 Salbev의 US 05503725에서 기재된 것 같은 전자 충돌을 사용한 기판의 가열로 달성되는 것과는 다른 기판 표면 상의 처리 결과를 초래할 수 있다는 점이 여기에 더해진다는 게 중요하다. 금속 이온의 단순한 사용이라도, 탄화물 또는 혼합 결정(mixed crytal)의 형성과 같은 불활성 가스 이온과의 비교를 통해 새로운 반응 가능성을 산출한다.

주입(implantation) 프로세스와 확산 프로세스의 조합은 기판 표면 안으로 금속 이온의 집적(integration)이 야기하고, 이후 증기 증착 레이어(vapor-deposited layer)의 유리한 쿠플링(coupling)을 나타내는 간행물(Muenz, W.-D. 등 저, Surf. Coat. Technol. 49 (1991) 161, Schonjahn, C. 등 저, J. Vac. Sci. Technol. A19(4) (2001) 1415)에 기재되어 있다.

하지만, 이러한 공정의 문제점은 첫째로 금속 액적이 발생한다는 것인데, 이러한 금속 액적은 원자 질량의 수 배인 질량을 가지고, 만약 이들이 기판 표면에 접촉하고 응축(condense)한다면 일반적으로 에칭 단계에 의해 다시 제거 될 수 없게 된다는 문제점을 가진다.

이러한 상황을 회피하기 위한 하나의 방법은, 이온으로부터 상기 액적을 분리하는 필터를 아크 소스를 장착하는 것이다.

잘 알려진 필터 디자인은 Aksenov, I. I. 등의 Sov. J. Plasma Phys. 4(4) (1978) 425에 기초하고, 상기 아크 소스는 자기장을 둘러싸고 90도로 구부러진 각도를 가지는 튜브를 통해 증착 챔버(depositon chamber)에 연결되어 있다. 상기 자기장은 전자를 굴곡진 통로를 따라 인도하며, 자기력을 통해 순서대로 상기 이온들을 유사한 굴곡진 통로를 따라 가게 한다. 하지만, 충전되지 않은 액적(uncharged droplets)은 상기 튜브의 내부 벽에 충돌하고, 이로서 다른 액적들이 기판에 도달하는 것을 막는다. 비율의 감소 결과는 금속 이온 에칭의 목적에 대하여 부수적인 역할을 한다. 하지만, 증착 챔버 안으로 상기 튜브가 빠져 나가가는 이온 빔(beam)의 사용 가능한 지름은 오직 10센치 정도의 매우 작은 지름을 가진다는 점이 매우 불리하다. 많은 적용에 대하여, 이는 에칭 프로세스의 충분한 균일성(uniformity)을 보장하기 위하여 기판을 상기 소스 앞으로 이동시킬 필요를 만든다. 이러한 문제점 때문에, 이러한 방법이 제품에 사용되는 종류의 보통 배치 증착 시스템(batch deposition system)에 사용될 수 없게 한다.

상당히 간단한 접근 방법은 아크 소스 앞에 배플 플레이트(baffle plate)를 사용하고, 대략 기판 뒤에 위치한 오프셋에 위치된 양극을 사용하는 것이다(예를 들면, 이는 챔버의 반대편 상에 있는 양극처럼 또 다른 소스를 사용하는 것이다), 이는 이미 Sablev의 US05503725에 그 원리가 기재되어 있지만 MIE 공정에 대하여 자세히 나타나있지는 않다(MIE = metal ion etching). 그 후 전자 통로는 챔버를 통과하여 지나가고, 기판을 지나가도록 강제된다. 상기 전기장은 또한 이온들이 전자에 근접하여 상기 통로를 지나도록 하고, 그 후 기판 근처에서 에칭 공정을 가능하게 한다. 상기 액적은 상기 배플 플레이트에서 주로 포획된다. 이러한 프로세스 지시는 증착 공정에 있어서 매우 비효율적인데, 그 이유는 이온화 금속 또한 상기 배플 플레이트에서 및 날(edge) 지역에서 상실해 버리게 되기 때문이다. 하지만, 종래 기술 분야에서는, 금속 이온 에칭에 대한 전통적인 프로세스는 오직 아주 낮은 암페어의 전류 만을 필요로 하고, 에칭은 오직 몇 분동안만 이루어 지기 때문에, 이러한 작용은 사실 제조 공정에서의 사용에 있어 정당화 될 수 있다. 하지만, 기판 홀더(substrate holder)를 통과하도록 전자 통로 상으로 상기 이온을 통과시키는 이러한 작용은, 챔버 포텐셜로부터 분리된 양극(anode)을 필요로 한다. 이는 챔버 내에 추가적인 공간을 필요로 하며, 이러한 추가적인 공간은 시스템의 생산성을 감소시킨다. 상기 언급한 양극과 같이 아크 소스의 또 다른 단속적 사용은, 이러한 소스가 그 움직임이 방해되거나 또는 바람직하지 못한 "프리 아킹(free arcing)"을 사용하여 제거되는 경우에 한해서만 다시 사용 가능하게 된다는 문제점을 가진다.

요약하자면, 이는 만약 배플 플레이트를 제거하는 것이 가능하다면, 그리고 분리된 양극을 사용하여 아크 소스가 작용할 더 이상의 필요가 없다면, 그 대신, 아크 소스는 넓은 지름의 과도한 양의 액적을 생산하는 일 없이 양극(지면)과 같은 역할을 하는 기판 챔버를 가지고 작동될 수 있다는 것이 MIE에 바람직할 수 있다. 게다가, 적당한 기판 바이어스(1500V 이하, 바람직하게는 800V 이하)에서 기판 상의 제로 레이어(zero layer) 증가에 도달하는 것이 바람직하고, 상기 기판 바이어스를 변화시킴으로써 상기 레이어 증착 상(layer deposition phase)에서 에칭 상(etching phase)으로의 변화 및 그 반대 변화의 가능성을 가지는 것이 바람직하다.

상기 아크 방법에서의 액적의 형성 때문에, EP 0126063에서처럼 스퍼터 소스(sputter source)를 사용하지 않으면서 아크 소스를 사용하지 않고 이온을 생성하는 것이 시도된다. 상기 스퍼터링(sputtering) 공정을 사용한다면 매우 작은 액적이 생성된다는 것이 알려져 있다. 하지만, 종래 스퍼터 소스는 매우 적은 이온만을 만든다는 것 역시 알려져 있다. 하지만 성공적으로 펄스 파워 공급기를 사용하여 스퍼터 소스를 작동한다면, 상기 펄스 동안에 이온의 밀도를 매우 증가시킨다는 것이 설명된다. 이는 Society of Vacuum의 Coaters Ehiasarian, A.P. 등이 만든 45주년 테크니컬 컨퍼런스의 "High Power Pulsed Magnetron Sputter Method" (2002) 328에서 보통의 스퍼터링(sputtering) 방법으로 생성되는 것보다(금속 이온 보다) 더 많은 이온을 생성하는 적합한 기재가 나와 있다.

하지만 이 방법의 문제점은, 목표물에 현저히 강력한 자기장이 전자관 방전을 고온으로 가열하기 위하여 필요하다는 점이다. 하지만, 이러한 강력한 자기장은, 오직 이온들의 작은 부분들만이 상기 기판에 도달하기 위하여 높은 에너지 펄스로 생성되는 이온을 포획한다는 바람직하지 못한 결과를 낳는다.

하지만, 이러한 소스가 실제 증착에 사용될 수 없다는 것을 의미하는, PVD 증착을 가진 HIPIMS-MIE 방법의 비양립성이 이 방법의 보다 큰 문제점이다.

HIPIMS 방법의 증착 속도는 매우 느리고, 대부분의 경우에 있어서 추가 소스들이 레이어 증착에 사용되어야만 하며, 레이어 증착에 대한 HIPIMS 소스를 사용하는 것이 불가능하다. 이는 생산 시스템의 생산성의 증대와는 상반되는 결과를 가진다. 마지막으로, 스퍼터 방법 역시 작동 가스로서 아르곤 같은 비활성 기체를 필요로 한다.

음극 아크 증기에 기초한 종래 사용된 금속 이온 에칭 방법의 문제점은 이하와 같이 요약될 수 있다.

1. 목표물 재질에 의존하여, 필터 되지 않은 아크 소스는 대량의 액적을 생성하고, 이들 중 일부는 넓은 지름을 가진다. 이러한 액적들은 이들을 완전히 화학적으로 기판 표면의 구성요소에 반응시키고 기판 표면 안으로 포함되기에 충분한 에너지를 가지지 못한다.

2. 더 높은 녹는 점을 가진 목표물 재질의 사용을 통한 액적 발생의 감소는 상기 재질의 단가가 높아지게 되고, 아킹(arcing) 작용에 있어 더 큰 복잡성을 필요로 한다. 상기 아크 소스의 디자인은 더 높은 소스 전류 및 높은 녹는 점을 필요로 하는 방전 전압을 달성하기 위하여 더욱 복잡해 지며, 상기 전기 공급기 역시 더욱 비싸진다.

3. 일반적으로 높은 녹는 점을 가지는 재질의 더 큰 화학적 불활성성 때문에, 기판 표면의 구성요소와 이러한 높은 녹는 점을 가지는 재질의 화학적 희망 반응은 보통 높은 온도에서만 발생한다(예를 들면 탄화물 포메이션).

4. 액적 감소용 전자기적 및/또는 기계적 필터를 가진 아크 소스의 조합은 기판에서의 이온 전류 상실을 야기한다. 더 중요한 것으로, 제조 시스템에서 일반적으로 마주치는 종류의 넓은 기판 영역 전체에 걸쳐 이러한 처리의 균일성이 보장되지 않는다는 것이다.

5. 게다가 상기 기판에서의 이온 전류의 상실에 덧붙여, 필터의 사용은 또한 다가 이온의 비율을 감소시키는 결과를 야기한다. 이들은 상응하는 다중 에너지를 가지고 기판과 충돌하기 때문에 화학적 개연성(열적 자극) 반응을 증가시키고, 따라서 높은 온도에서 안정적인 결합의 형성에 있어서 필수적 역할을 한다. 이는 기판 바이어스를 증가시킴으로써 다가 이온(multicharged ion)의 상실에 대하여 보정하는 것이 가능하지만, 이는 일반적으로 아킹(arcing)을 줄이는 것뿐만 아니라 안전성의 이유로도 1000V 이상의 전압을 피하는 것이 권장된다.

6. 더 높은 프로세스 가스 압력은 액적의 감소를 야기시키지만, 이 뿐만 아니라 기판의 전류를 감소시키고, 차례로 다가 금속 이온(multicharged metal ion)의 비율을 감소시키게 된다. 하지만 이는 또한, 공정 호환성의 이유로, 반응성 가스에서 만들어진 아크에 대한 높은 기판 이온 전류를 충분히 달성하기에 바람직할 수 있다.

HIPIMS를 사용한 스퍼터 방법에 기초한 상기 MIE의 문제점은 이하와 같이 요약될 수 있다.

1. 증착 속도가 매우 낮기 때문에, 즉 스퍼터 소스의 작동에 대한 특별한 소스 및 전기 공급기가 필요하기 때문에, 아크 레이어 증착 소스와의 호환성이 없다.

2. 기판 이온 전류는 오직 상기 펄스 동안에만 생성된다. 이온들 중 대부분은 전자관의 자기장에 의하여 포획되고, 기판에 도달하지 않는다(Muenz, W.-d. 등의 Vacuum in Research and Practice, 19 (2007) 12).

3. 상기 스퍼터 소스의 작동은 항상 작동 가스를 필요로 하며, 상기 작동 가스는 기판 표면 안으로 포함되고, 상기 기판 표면에서 주로 원하지 않은 스트레스 및 불안정성을 야기시킨다.

4. 스퍼터 작동에 있어 반응성 가스를 사용하는 것은 제어하는데 어려움이 많다.

상기 문제점에 기초하여, 이하와 같은 결론이 MIE의 사용과 관련하여 그려질 수 있다.

아크 소스에 있어, 본질적인 논점은 이러한 문제점들을 야기시키는 커다란 액적이며, 이는 이러한 액적이 상기 기판 표면에 충돌한 후 기판 안으로 더욱 확산시킬 충분한 에너지를 가지지 않거나 또는 상기 기판 표면의 구성요소와 함께 화학적 반응을 일으키기에 충분한 에너지를 가지지 못하기 때문이다. 한편, 다가 이온을 생산하는 포텐셜을 가진 아크 증기는, 금속 이온 에칭을 사용하여 기판의 전처리를 수행함에 있어 가장 적합할 수 있다.

Buschel, M. 등의 Surf. Coat. Technol. 142-144 (2001) 665에서도 역시, 아크 증기 소스는 레이어를 증착을 위하여 펄스 방식으로 작동될 수 있다는 사실을 기재하고 있다. 이 방법에 있어서, 계속적인 지지 전류(holding current)는 펄스 전류와 함께 오버랩(overlap)된다. 여기서 상기 소스의 펄싱(pulsing)은 상기 레이어 증착에서 많은 양의 액적을 감소시킨다는 점에 주목해야 한다.

또한 상기 간행물로부터, 음극 아크 소스의 계속적인 작동 없이 상기 음극 아크 소스를 펄싱하는 것, 즉 각각의 펄스와 함께 계속적으로 재점화(reignite)하는 것은 다가 이온의 비율의 증가에 의한 더 높은 이온 전류를 가져온다(Oks, E. M. 등의 Rev. Sci. Instrum. 77 (2006) 03B504).

아크 증착 소스가 사용 가능하다는 사실에도 불구하고 본 발명은, 제로 레이어 증착 속도(zero layer deposition rate)에 관한 것으로서, 다시 말하자면 표면 상의 재료 증가와 표면에서의 재료 제거(removal) 간의 평형 상태 생산 및 기판 바이어스를 사용하여 이러한 평형 상태의 제어 가능성에 관한 것을 그 목적으로 한다. 본 발명의 또 다른 목적은, 상당한 비율의 금속 이온, 반응성 가스 이온을 상기 기판에 충돌시키는 것에 기초하여 기판 전처리(substrate pretreatment)를 야기하는 것이다. 그리고 극한의 경우, 작동 가스를 완전히 제거할 수 있는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 기판 표면 안으로의 이들 이온의 확산 및 상기 기판 표면의 구성요소에 대한 이들 이온들의 화학적 반응이다.

본 발명의 또 다른 목적은 이전 단계에 의해 유발된 기판 변화, 즉 습식 화학적 기판 세척(wet chemical substrate cleaning)에 의한 기판 표면의 코발트 감소(cobalt depletion)의 회복이다.

상기 목적은 청구항 제1항에서 정의된 특징에 의하여 달성된다. 이에 대한 유리한 변형 실시예들은 종속 청구항에서 기재되어 있다.

본 발명은, 아크 진공 소스(arc vaporization source)의 일부이고 목표로 구현된 제 1 전극(electrode)을 가지고, 상기 제1 전극을 써서, 아크는 아크 전류로 작동되고, 작업물 위로 적어도 부분적 및 단속적으로 증착되는 재료를 목표물로부터 증발시키고; 작업물 홀더로 구현되고, 상기 작업물과 함께, 바이어스 전극을 구성하는 제 2 전극을 가지고, 전압 공급기를 써서, 기본적으로 아크 전류에 부합(match)되도록 바이어스 전압이 상기 바이어스 전극에 인가되고, 작업물의 표면 상에서 네트 재료(net material) 증강이 일어나지 않는, 진공 처리 시스템(vacuum treatment system)에서의 작업물의 표면 처리 방법에 기초한다.

이에, 본 발명에 따른 상기 방법은, 상기 제1전극은 펄스 전류(pulsed current)로 작동되고, 이 전류의 맥동(pulsation)은 상기 재료의 다가 금속 이온(multicharged metal ion)을 생성함으로써 상기 작업물 표면을 통과하는 비펄스(non-pulsed) 작동 보다 증가된 기판 전류를 야기하고, 그 결과, 상기 제1 전극의 비펄스 작동에 비교하여 더 작은 바이어스 전압(bias voltage)으로, 상기 표면 상에서 네트 재료 증강이 일어나지 않는 것을 특징으로 한다.

펄스 전류를 아크 소스를 가진 진공 증착 시스템에 사용하는 것은 이미 잘 알려져 있다. 예를 들면, WO2006099760 및 WO2007131944에서는 펄스 전류를 가진 아크 소스의 작동이 불침투성 산화물 레이어가 없는 음극 표면을 유지하고 안정적인 아크 방전을 보장하기 위하여 필수적인 요소로서 나타나있다.

특별한 전력 공급기를 필요로 하는 아크 전류의 펄싱(pulsing)은, 계속적으로 상기 아크를 상기 목표에 걸친 새로운 통로를 따라서 편향(deflect)시키고, 선호 영역으로만 이동하는 것을 막고, 남아있는 목표지역이 두꺼운 산화물로 코팅되도록 하며, 이를 "스티어드 아크(steered arc)" 방법이라고 한다.

이로서, 아크 소스의 전류 펄싱은 부분적으로 자기장을 가진 아크 소스의 작동과 유사한 결과, 즉 아크의 편향(deflection)를 가져온다, 이는 너무 긴 시간 동안 하나의 영역에 남아 있는 것을 막고, 목표물의 과도한 용해를 막으며, 이로써 액적의 증가 형성을 막는다. 하지만, 자기장을 가진 작동과 비교해 볼 때, 펄싱은 자기장에 의해 사전 결정된 통로 상으로 항상 인도한다는 이점을 가지는 것은 아니다, 이는 특히 반응성 가스를 사용할 때 안정성 문제를 야기시킬 수 있다.

아크 소스의 상기 펄싱 작동은, 개별적인 아크 소스의 전류를 펄싱 하는 형태 및 두 개의 아크 소스 사이에서의 "듀얼 펄싱" 하는 형태 모두로 이루어 질 수 있다. WO2007131944에서 추론될 수 있듯이, 상기 첫 번째 작동 타입은 값싸며 일반적인 DC 공급기에 비하여 아주 약간의 변형(가능하다면)만이 가해지는 전기 공급기를 필요로 하는 것에 반하여, 상기 "듀얼 펄싱"은 그 밖의 것들 사이에서 상기 두 개의 소스 사이에서 연결되는 추가적인 전기 공급기를 필요로 한다. 하지만 이러한 작동 타입은 펄싱 작동에 있어 스티퍼 전류(steeper current) 상승을 달성시키도록 사용될 수 있는 매우 높은 주파수를 가능하게 한다.

본 발명을 사용하여, 그 밖의 것들 사이에서, 기판의 습식 세척(wet cleaning, 외부 세척)에 의해 유발되는 기판 손상을 회복하는 것이 가능하다. 이는 특히 기판 표면의 코발트 감소(cobalt depletion)에 관한 것이다.

본 발명은 또한, 보다 나은 화학, 온도, 및 기계적 안정성을 보장하는 안정 결합을 생성한다는 목표로서, 최외각 기판 표면에서 원자/성분을 가진 기상(vapor phase)에서 원자의 통합 또는 화학적 반응을 통한 기판 표면의 변화에 관한 것이다.

또한 본 발명은 확산 장벽 레이어(diffusion barrier layer) 또는 화학적 장벽 레이어(chemical barrier layer) 같은 추가적인 기능을 수행하고 적용되기 위하여 기판과 레이어 사이에 밀접한 연결을 생성하는 기판 표면에서의 얇은 매개 레이어(intermediate layer)의 형성에 관한 것이다.

본 발명은 또한, 산화물, 탄화물, 질화물, 금속 레이어들과 같이 서로 다른 재질들 사이에서 가능한 얇고 매우 좋은 응착성(adhesion)을 가지는 희망 경계면에 대한 기울기 변화를 통해, 생산될 수 없는 - 또는 불충분한 정도로 밖에 생산되지 않는 - 확산 특성을 가진 레이어들 사이에서 사용될 수 있다.

이러한 새로운 방법은 특히, 산화물 레이어가 금속 레이어, 금속 탄화물, 금속 질화물 또는 금속 탄화 질화물과 결합되는 적용에 있어서 유리하다. 바꾸어 말하면, 이러한 방법은 예를 들어, 경금속(hard metal)상의 산화물 레이어들의 직접적 증착 또는 산화물에서 질화물로의 다중 레이어 시스템에서의 전이에 있어서, 서로 매우 다른 특성을 가지는 레이어들이 밀접하게 연결되어 있는 적용에 있어서 주로 사용된다.

이러한 새로운 방법은 또한, 서로 다른 결정상(crystalline phases)의 레이어들끼리 좋은 응착성을 가지고 결합되는 적용에 있어 유리하게 사용된다.

본 발명의 최우선 목표는, 최 외각 기판 표면에서 표면과 충돌하는 이온들과 기판 표면의 구성 요소들 간의 안정적인 연결을 만들어 내는 것으로서, 상기 기판 표면의 이러한 구성요소들은 본래 기계적 또는 화학적으로 불안정하고, 이후에 적용되는 레이어의 응착 문제를 야기시킨다.

이는 본 발명이 전통적인 에칭 또는 레이어 증착을 나타내고 있지 않는다는 것을 의미하며, 오히려 이들 과정들 사이에의 평형 상태를 나타내고, 상기 처리는 기판 표면의 바로 근처에서 또는/그리고 기판 표면 상에서 배타적으로 화학적 반응을 유발시키는 것을 목적으로 수행되고, 상기 전처리는 더 많은 또는 더 적은 제로 레이어 증가, 또는 아주 약간의 증가로 달성될 수 있게 된다.

기판 바이어스를 사용하여 조절될 수 있는 이온 에너지와 관련하여, 전자에 비하여 매우 큰 이온의 질량은, 평행 상태에서 높은 기판 온도에서만 달성될 수 있는 충돌 이온과 기판 구성요소 사이의 화학적 반응을 가능하게 한다. 이는 다가 이온(multicharged ion)의 자명한 사실이다.

본 발명에 따르면, 경제적 해결책이 아크 증기 소스에 기초한 생산 시스템을 사용함으로써 달성될 수 있다.

본 발명은 아크 소스의 동작 중에 거시적으로 액적의 발생을 줄일 수 있게 한다. 이러한 연유로, 본 발명에 따른 방법은 폭넓고 손쉽게 제어 가능한 프로세싱 윈도우(processing window)를 가진다.

본 발명은 이하 도면을 참조하여 실시예로서 설명될 것이다.
도 1은 원래의 펄스 아크 소스들을 각각 가지는 PVD 증착 시스템을 보여준다.
도 2a는 DC 아크 전류를 나타낸다.
도 2b는 펄스 아크 전류를 나타낸다.
도 3a는 DC 아크 전류가 사용되었을 경우의 기판 전류를 보여준다.
도 3b는 펄스 아크 전류가 사용되었을 경우의 기판 전류를 보여준다.
도 4는 듀얼 펄스 방법에 대한 PVD 증착 시스템을 보여준다.
도 5a는 DC 작동 중의 아크 소스를 통해 흐르는 아크 전류를 보여준다.
도 5b는 아크 소스가 바이폴라 펄스로 오러랩된 때의 아크 전류를 보여준다.
도 6a는 DC 아크 작동 중의 기판 이온 전류를 보여준다.
도 6b는 바이폴라 작동 중의 기판 이온 전류를 보여준다.
도 7은 아크 전류와 기판 바이어스에 따른 재료 빌드업(buildup)과 재료 제거 사이의 관계를 도식적으로 나타낸다.
도 8은 펄스 아크 전류에 대한 측정표이다.
도 9는 펄스 아크 전류에 대한 측정표이다.
도 10은 평균 이온 전류 및 증발 비율을 나타내는 표이다.

본 발명을 명확하게 나타내기 위하여, 각 아크 소스가 독립하여 펄스 되는 도 1에서 나타나는 작동 모드를 먼저 고려하는 것이 유리하다. 도 1은 아크 소스의 사용을 통해 레이어 증착(layer deposition)에 사용되는 PVD 레이어 증착 시스템(1, 배치 시스템(batch system))을 나타낸다. 상기 레이어 증착 시스템(1)은 펌핑 스테이션(pumping station, 4, 도시되지 않음)에 연결되어 있고, 상기 펌핑 스테이션은 공정과 관련된 진공을 생산한다. 상기 기판 홀더(2, 3)는 기판들(공구, 부품), 또는 그 밖의 구성요소)을 잡고 있는데 사용되고, 이들을 전처리 및 레이어 증착 동안에 지지한다(지지한다). 상기 홀더 및 기판들 스스로는, 이온 충돌(음 전압, negative voltage) 또는 전자 충돌(양 전압, positive voltage) 중 어느 하나에 해당하기 위하여, 전처리 및 레이어 증착 동안에, 기판 바이어스 전압 공급기(5)를 써서 인가된 전압을 가질 수 있다. 상기 기판 바이어스 전압 공급기는 DC, AC, 바이폴라(bipolar) 또는 유니폴라(unipolar) 기판 전압 공급기일 수 있다. 상기 레이어 증착은 아크 소스를 사용하여 수행된다. 이들 아크 소스는 재료가 증발된 아크의 목표물(6)를 포함한다. 자석(7)에 의해 만들어 지는 상기 소스 자기장은 예를 들어 액적의 생성을 줄이기 위하여 아크가 특정 통로(흔히, 스티어드 아크(steered arc)로 불린다)를 따라 인도되는지를 결정하거나 또는, 가장 흔히 더 나은 목표의 사용이 되고 더 높은 증발 속도를 야기하는 아크가 목표물 표면 상에서(흔히, 랜덤 아크(random arc)라 불린다) 보다 또는 덜 자유롭게 움직일 수 있는지를 결정한다. 상기 아크의 작동은 일반적으로 불활성 가스인 작동 가스(working gas)에서 이루어진다. 일반적으로 아르곤(argon)이 본 목적을 위하여 사용된다. 하지만 작동은 작동 가스와 반응성 가스의 혼합에서 또는 오직 반응성 가스에서만도 이루어 질 수 있다. 상기 반응성 가스는 아크에 의해 증발된 목표 재료와 반응하기 때문에, 이에 대응하는 질화물, 산화물, 탄화물 및 이들의 혼합물을 형성한다. 상기 가스들은 공유 가스 인입구(8) 또는 시스템 전체에 걸쳐 분포된 다양한 가스 인입구들을 통해서 인입될 수 있고, 처리 챔버에서의 처리 압력 및 가스 혼합물은 가스 유량계(flow meters)를 써서 제어될 수 있다. 점화 프로브(9) 또는 또 다른 전기 점화 장치는 목표물 상의 아크를 점화하는데 사용될 수 있다. 배플 플레이트(baffle plate, 10)는 아크 증발에도 불구하고, 목표 증발 재료가 상기 기판에 닫지 않도록 목표물에 닫도록 사용될 수 있다. 아크 증발에 대한 아크 전류는 전력 공급기(11)에 의해 공급된다. 일반적으로, 상기 전력 공급기는 전통적인 DC 전력 공급기다. 여기서의 실험은 펄스 용접(pulse welding)에 흔히 사용되는 종류의 펄스 파워 공급기를 사용하였다. 이로써, 추가적인 펄스 전류를 일정한 DC 전류에 오버랩(overlap)할 수 있게 되었다. 이는 여기서 정지 상태들(pauses) 사이에서 중요한 것으로, 상기 전류는 완전히 영으로 돌아가게 되지만, 대신 아크를 소멸시키지 않는 일 레벨(정지 전류)은 남아있다.

기판 이온 전류 상의 아크 전류 맥동(pulsation)의 효과를 보다 자세히 조사할 수 있도록, 오직 단일 소스가 이러한 실험에서 사용되었다. 이러한 재료에 대한 제한 없이, 제 1 Cr 목표물이 아크 증발에 대하여 선택된다. 상기 Cr 목표물은 작동 가스(working gas)로서 아르곤 상에서, 300sccm의 아르곤 가스 흐름 및 140A의 DC 소스 전류 상태에서 작동된다. 전류 상승 시간은 전력 공급기에 1,000A/ms의 셋팅을 선택함으로써 일정하게 유지된다. 이하 모든 시험에 있어서, 기판 이온 전류는 전형적인, 비변경 기판 홀더, 즉 전체로서, 측정되었다. 여기서 모든 이온들이 기판 홀더에 포획될 수 없고 챔버 벽에 충돌할 수 있다는 사실로 야기되는 전체(적분) 전류 측정에서의 작은 에러가 발생할 수 있다는 것을 추가해야 한다. 하지만, 비교 측정 및 밀집한 포장을 위하여, 이러한 에러는 오직 상대적 정보로 이해되어야 하는 측정의 일반적 경향을 왜곡 하도록 가정될 수 없기 때문에, 고려될 수 있다. DC 소스 전류의 사용을 통해, 4.5A의 기판에서의 평균 이온 전류가 측정되었다(표 1참조). 대조적으로, 상기 펄스에서 600A의 펄스 소스 전류의 경우, 펄스 정지에서 0.5ms의 펄스 길이와 50A, 및 3.4ms의 펄스 길이와 7.8A의 평균 기판 이온 전류가 측정되었다. 이는 시간 평균된 아크 전류가 140A와 마찬가지인 경우이다. 상기 경우의 기판에서의 이온 전류의 피크값은 실제 57.8A이다.

이하 진행은 표 1(도8)에서 확인 할 수 있다.

아크 전류의 펄싱은 기판 전류의 상승을 가져온다.

상기 펄스와 평균 시간 동안 모두, 펄스 전류와 정지 전류 사이의 차이가 크면 클수록, 기판 전류도 커진다.

또한 기판 전류 상의 아크 전류 맥동의 영향도 순수 반응성 가스, 이러한 실시예에서는 산소, 에서 아크 소스의 작동 중에 조사되었다. 비교를 위해, 아크 소스는 DC 전류 및 Cr 목표물로 다시 한번 작동되었고 250sccm의 산소 흐름이 사용되었다. 이는 1.7A의 평균 기판 이온 전류를 산출하였다(표 1과 유사하다). 반대로, 펄스에서 600A를 가진 펄스 소스 전류 및 펄스 정지에서 50A를 가지며 0.5ms의 펄스 길이를 가지는 경우에 있어서는, 3.5A의 평균 기판 이온 전류가 측정되었다. 다시 한번, DC와 펄스에 대한 평균 아크 전류, 즉 140A, 는 동일하다. 이러한 경우의 기판에서의 이온 전류 피크는 58A가 된다. 아르곤에서의 작동이 일어나는 동일한 경향들이 다시 한번 반응성 가스에서의 작동으로 인식될 수 있다. 또한 이는, 순수한 산소에서의 작동에 있어서, 아르곤에서의 작동에 비하여 기판 전류가 하강한다는 것이 분명하다. 아크 소스의 맥동은 적어도 부분적으로 이를 보정할 수 있고, 그 결과, 비록 순수한 반응성 가스에서의 작동일 때라도 즉, 작동가스를 생략할 때라도 높은 기판 전류를 획득 할 수 있게 한다는 전처리(pretreatment)에 대한 효과를 가져온다.

이러한 작용이 단일 성분 목표물(single-element target)에 적용하는 것뿐 아니라 합금 목표물(alloy target)에도 적용된다는 것을 설명하기 위하여, Al-Cr 목표물(본 실시예에서 목표물은 70%/30%의 성분비인 AL/Cr으로 구성되었다)에 대하여 더 많은 실험이 수행되었다. 또한, DC 아크 작동이 펄스 아크 작동에 비교되었다. 이 작업은 200A 의 평균 아크 전류로 400sccm으로 설정된 산소 흐름을 가진 순수 산소 공기에서 수행되었다. 비교를 위하여, 아크 전류는 이후 정지 상태에서의 50A와 펄스에서의 약 470A사이로 펄스 되었다. 이러한 펄스 전류는 다시 한번 시간당 평균 200A를 산출한다, 즉 이러한 전류는 DC 아크 전류와 유사하다. 도 2a 및 2b는 이러한 두 개의 전류의 시간 변화에 따른 변화(chronological sequences)를 나타내며, 본 실시예에 있어서, 임의로 아크 전류를 음(negative)으로 가정하였다. 도 2a는 DC아크 전류를 보여주며, 도 2b는 펄스 아크 전류를 보여준다.

이러한 작동 동안에 측정되는 전체 기판 이온 전류는 도 3a 및 3b에 나타나며, 본 실시예에 있어서, 전자 전류가 양(positive)으로 나타나는 것에 반하여 기판 전류의 이온 전류 부분은 음으로 나타난다. 도 3a는 DC 아크 전류가 사용되는 실시예에 있어서 기판 전류를 나타내며, 도 3b는 AC 아크 전류가 사용되는 실시예에 있어서 기판 전류를 나타낸다.

산소 대기에서의 Al/Cr 목표물의 사용이 산화물 레이어의 형성을 야기하기 때문에, 기판 상에서의 작업은 바이폴라 기판 바이어스(bipolar substarte bias, 약 25kHz)로 수행되었다. DC 작동 중에, 이온 흐름(음으로 나타남)은 전자 전류(양 축, positive axis)와 뚜렷하게 구분될 수 있다. 기판 이온 전류로 적분(즉, 음으로 나타나는 전류로 적분)하여 시간 평균 2.8A를 산출한다. 펄스 아크 전류로 작동하는 동안에, 기판의 펄스 주파수를 가진 아크 전류 주파수(약 700Hz)의 오버랩핑(overlapping)은 기판 전류의 전류 곡선(current curve)에 반영된다. 만약 평균이 여기서 기판 이온 전류(음의 값 영역)와 유사하게 취해진다면, 이는 4.9A의 평균 이온 전류를 산출할 것이다, 즉 기판 이온 전류는 아크 소스 맥동을 통하여 거의 두 배가 될 수 있다.

주어진 실시예에 있어서, 소스 공급기 및 기판 바이어스 공급기의 작동은, 이러한 두 개의 공급기가 서로 동기화 되지 않게 나타나 있다. 약 25kHz에서, 기판 바이어스 공급기 주파수는 소스 전류 공급기의 주파수(약, 700Hz) 보다 훨씬 더 높다. 소스 전류 공급기의 알맞은 펄스 주파수는 1Hz 내지 5kHz 사이에 놓여 있다. 바람직하게는, 500Hz 내지 2kHz 사이의 펄스 주파수가 사용된다. 또한 이 공통 부분은 소스 전류의 펄싱 동안에 기판 전류에서 보여진다. 바이폴라로 맥동된 바이어스는 PC 바이어스에 비하여 전체 기판 전류를 약간 감소시킨다.

만약, 상기 두 공급기가 서로 동기화된다면, 펄스 피크에서의 기판 전류의 급격한 증가(시간 평균에서의 증가가 아님)가 획득된다. 다시 말하자면, 바이어스 전압의 주파수에 대하여, 소스 전류에 대응하는 주파수 또는 이 주파수의 정수 배 주파수가 선택된다. 하지만, 상기 음 피크(negative peak)에 있어서, 바이어스 전압은, 목표물에서 기판으로의 이온의 비행 시간을 고려하기 위하여, 소스 전류의 피크에 비례하여 시간 변위(time-shifted)된다. 이 동작은, MIE가 매우 높은 에너지를 가진 단시간의 이온 충돌의 달성을 필요로 하기 때문에, MIE에 대하여 이점을 가진다. 하지만, 이는, 우선 서로 다른 배치 부하들(batch loads)을 가지는 배치 시스템들(batch systems)에서의 작동에 대하여, 상기 공급기들 사이의 동기화에 대한 별도 노력을 수반할 수 밖에 없다. 이러한 이유로, 상기 과정에 있어서 상당한 불리함이 야기되지 않는 한 동기화는 일반적으로 생략된다.

요약하자면, 아크 소스들의 펄스 작동에 있어서, 평균 전류에 의하여 정의된 것처럼, 거의 동일한 증발력을 가진 제거 속도를 급격하게 증가시키는 것이 매우 용이하고, 이로써 제로 레이어 증가 영역 안으로 변위하는 것이 용이하다는 결과를 가진다.

상기 설명에 비추어 볼 때, 제로 레이어 두께 증가 영역에 있어서, 바이폴라 기판 바이어스 공급기의 듀티 사이클(duty cycle)의 셋팅으로, 실제 동일한 기판 전압을 유지하는 동안, 에칭 영역 밖으로 변위 및 레이어 증착 영역 안으로 변위하는 것이 가능한 추가적인 파라메터가 있다는 것 역시 분명하다. 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 기판 바이어스는 DC 전압으로 작동될 수 있다. AC 작동은 사실 기판 전류를 대개 약간 감소시키지만, 이는 기판으로부터 아크의 바람직하지 않은 드로윙(drawing)을 효과적으로 막는데 사용될 수 있다. 특히, 적은 듀티 사이클이 이러한 바람직하지 않은 아킹(arcing)의 방지하는데 용이하다.

여기까지, 단일 성분 목표물 및 합금 목표물에 있어서, 불활성 가스에서 아크 소스의 펄스 작동이 산소 공기에서의 작동과 유사한 기판 이온 전류 증가를 야기한다는 것이 설명되었다. 순수 질소 반응성 가스에서의 아크 소스들의 작동은 이하에서 기재되는 또 다른 추가 실험에서 조사될 것이다. 이와 관련된 상기 실험들은 표 3에 요약되어 있다. 우선, 200A의 아크 전류에 대하여, DC 작동은 펄스 작동에 비교된다. 이러한 실시예에서 사용되는 Ti/Al 목표물(단, 목표물의 재료와 성분의 제한이 없다)는 50%/50%의 성분비를 가진다. 상기 질소 흐름은 3.5Pa 처리 압력이 증착 챔버에서 만들어 지도록 아크 증발 동안에 조절된다. DC 작동에 대하여, 6.5A의 기판 전류를 야기한다. 펄스 작동의 경우에 있어서, 200A의 동일한 평균 아크 전류에 대하여, 17A의 기판 이온 전류 달성을 가능하게 한다. 이러한 테스트들은 상기 아크들을 흔히 말하는 "스티어드 아크(steered arc)"를 생산시키는 사전 결정된 통로를 따라 인도하기에 충분히 강한 목표 자기장(MAG A)으로 수행되었다. 본 업계의 당업자는, 상기 아크들이 아킹 지역에서의 용해가 최소로 유지될 수 있도록 짧은 시간 동안 한 장소에 머물고 있기 때문에, 이러한 종류의 작동이 액적 형성의 급격한 감소를 유발한다는 것을 이해할 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 펄스 작동에 있어, 비록 보통의 기판 바이어스 전압일지라도 기판 이온 전류를 증가시킬 수 있고 제로 레이어 두께 증가를 달성하기 위하여 사용될 수 있다는 점이 다시 한번 분명해 진다.

기판 이온 전류에 대한 반응성 가스 압력의 영향을 조사하는 과정을 수행하기 위하여 상기 동일한 목표물들이 더 높은 아크 전류에서 사용되었다. 약한 목표물 자기장(MAG B)은, 아크들이 특정 목표 통로를 따라가지 않게 강제하는 데 사용되었다. 9Pa의 질소 압력에서의 작동에 있어서, 기판 이온 전류를 8.7A에서 12A로 증가시키는 것이 가능하다. 3.5 Pa의 압력에서, 상기 기판 전류는 19A에서 25A로 증가되었다. 이는 기판 이온 전류의 증가에 있어 펄스 아크 전류의 긍정적 영향을 다시 한번 분명히 설명하고 있다.

표 3(도10)에서의 결과 상에 있어 다시 한번 사기 방법의 목표를 재실험하는 것은 이하의 결과를 산출한다:

비록 반응성 가스 질소에 있어서도, 아크 소스의 펄스 작동은 기판 이온 전류의 증가를 야기한다.

기판 전류의 증가가, 램덤 아크와 비교할 때 스티어드 아크의 경우에서 더욱 많이 나타난다.

스티어드 아크에 대하여, 상기 맥동은 증발 속도 및 기판 이온 전류 모두를 증가시키지만, 기판 이온 전류의 증가가 더욱 크다.

랜덤 아크에 대하여, 증발 속도는 무시할 수 있을 정도의 변화만이 있지만, 기판 이온 전류는 상당히 증가한다.

요약하자면, 펄스 작동은 비록 낮은 기판 바이어스에서일지라도, 기판 이온 전류를 증가시킬 수 있기 때문에, 제로 레이어 증가(zero layer growth)의 달성에 기여한다는 것이다.

표 1로부터 나오는 결과는, 펄스 작동에서의 전류 상승 기울기 또한 기판 전류에 대한 영향을 가질 수 있다는 점을 암시한다. 이러한 조사의 결과가 표 2에서 나타난다. 상기 테스트들은 항상 정지 상태(70A) 동안에 동일 아크 전류로 시작하였고, 이후 펄스 전류로 점프(jump)되었다. 상기 점프에 대한 서로 다른 기울기들이 전력 공급기에 세트 되었다. 상기 기판에서의 피크 이온 전류는 펄스의 서로 다른 기울기 함수 및 펄스 전류의 함수로서 측정되었다. 상기 표의 열 1과 열 2를 비교함으로써, 펄스에서의 더 큰 기울기가 35A에서 40A로의 기판에서의 피크 이온 전류 상승을 야기한다는 것이 분명하게 나타난다. 표 2 또한 약 1,000A/ms에서 시작하는 전류 상승 기울기가 상당한 기판 이온 전류 상승을 야기한다는 것을 보여준다. 250A/ms 내지 750A/ms 사이의 더 짧은 상승 시간은 거의 아무런 영향을 가지지 않는다.

이러한 결과에 기초하여, 전류 상승 시간의 증가가 기판 전류 증가에 대한 중대한 영향을 가질 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 하지만, 이것이 만약 도 1에서 보여지는 종류의 펄스 전력 공급기로서 사용되는 전력 공급기를 사용하여 수행되어야만 한다면, 기술적으로 어렵게 된다. 오늘날 상업적으로 사용 가능한 전력 공급기에 있어서, 약 50,000A/ms의 전류 상승 시간의 증가는 (즉, 표 2(도 9)에서 주어진 최대값의 50배) 매우 큰 기술적, 경제적인 투자가 필요하게 되고, 일반적으로 달성되기 매우 어렵다. 게다가, 이러한 전류 상승 시간에서, 전력 케이블의 케이블 인피던스(impedence)가 중요한 역할을 하게 되고 펄스 형성에 영향을 준다, 즉 기울기를 감소시킨다.

도 4는 높은 전류에 대하여서도 매우 높은 펄스 주파수를 수행하기에 적합한 프로세스 기법("듀얼 펄스 방법(dual pulse method)")을 보여준다. 이러한 기법에 있어서, 바이폴라 전압 또는 전력 공급기(31, 바이폴라 기판 바이어스 공급기와 혼동하지 말 것!)이, 전통적인 DC 전력 공급기(12)에 의하여 각각 추가적으로 전력 공급되는 두 개의 아크 소스들 사이에서 작동된다. 이러한 배치의 이점은 바이폴라 공급기가 상기 두 개의 아크 증발 소스들의 사전 이온화된 플라즈마에서 작동된다는 사실에 있다. 이로써, 수백 킬로 헤르츠의 범위에 있는 주파수들을 가진 플라즈마의 매우 빠른 펄싱(pulsing)을 가능하게 하고, 소스 전력 공급기의 전류 크기에 필수적으로 대응하는 전류를 허용할 수 있다. 공급기(13)의 바이폴라 전류의 크기는 아크 소스를 통한 전체 전류의 결과가 유지 전류(holding current)보다 낮지 않도록, 즉 아크가 없어지지는 않고 계속해서 작동될 수 있도록 조절되어야만 한다.

도 5a에서의 실시예는 DC 작동 내 아크 전류를 통해서 흐르는 아크 전류를 한번 더 나타낸다. 이러한 작동은 순수 산소 반응성 가스에서 200A으로 한번 더 수행되고, Al/Cr이 70%/30%의 비율로 구성된 목표물을 다시 한번 사용한다. 도 5b는 아크 소스가 바이폴라 펄스로 오버랩 된 때의 아크 전류를 보여준다. 아크 전류는 25kHz의 주파수를 가지는 50A 내지 350A 사이에서 맥동(pulse)한다. 이는 시간 평균된 전류 200A 에 대응한다. 한번 더, 상기 DC 아크 작동 상태(도 6a)의 대응 기판 이온 전류는 바이폴라 작동(도 6b)의 전류와 비교되었다. 여기서의 전류 상승 속도는 주파수에 의하여 결정되고, 이러한 주파수에서 상기 전류 상승 속도는 약 10⁶A/s이다. 하지만, 이러한 전류 상승 스피드는 100kHz 또는 500kHz로 주파수를 증가시킴으로써 손쉽게 더욱 증가될 수 있다.

소스의 상기 "듀얼 펄싱"도, 도 6a 및 도 6b의 비교를 통해 설명되었듯이 기판 전류의 상당한 증가를 야기시킨다. 평균 기판 전류는 아크 소스의 DC 작동에서의 3.8A에서 펄스 작동에서의 6A로, 즉 약 50% 증가한다.

이는 기판 이온 전류 증가가 펄스 파라메터의 변화에 기인하여 단독으로 발생할 수 있다는, 즉 전기적으로 쉽게 조절될 수 있다는 상기 설명으로부터 당연히 도출되기 때문에, 예를 들어 바이어스 전압, 소스 전류 또는 가스 압력을 변경하지 않는 파라메터가 자유롭게 선택될 수 있다. 이러한 프로세스 기법은 대응 전력 공급기로 수행되기 용이하며, 시스템 내 추가적인 소스를 필요로 하지 않는다; 대신, 보통의 아크 소스들이 사용될 수 있다. 이로써, 작동 가스를 제거시키는 것이 가능하며, 오직 반응성 가스 내에서 작동을 수행하는 것이 가능하다.

아크 소스 맥동의 두 작동 모드들은 기판의 전처리에 사용된다. 상기 두 개의 작동 모드들에 대한 음극 재료의 증발 속도가 DC 증발 속도와 상당히 다르지는 않기 때문에(적어도 랜덤 아크 작동에 있어서), 우선적으로 아크 소스의 펄스와 함께 만들어지는 다가 금속 이온들(multichrged metal ions)을 생성한다고 가정될 수 있고, 이는 기판 전류를 증가시킨다고 가정될 수 있다. 이러한 가정은 Oks, E. M. 등의 Rev. Sci. Instrum. 77 (2006) 03B504와 같은 간행물에 의하여 뒷받침된다. 하지만, 추가 단일 이온화(주로 반응성 가스) 역시 상기 아크 소스가 맥동된 때 발생한다.

상당한 증발 속도 증가의 발생이 없는 기판 이온 전류의 증가는 더 좋은 에칭 효율을 가져온다. 바꿔 말하자면, 기판상의 동일한 바이어스 상태에서, 더 빠른 에칭이 달성될 수 있거나 또는 더 낮은 바이어스 상태에서, 동일한 에칭 속도가 달성되게 된다. 120A의 전류 상태에서 아크 소스의 DC 작동에 있어서, 예를 들어 듀얼 회전(dual rotation) 상태의 기판 상에서 14nm/min의 에칭 속도가 800V의 기판 바이어스를 사용할 때 달성될 수 있다. 이러한 조건 이하의 300V 바이어스가 레이어 증착과 에칭 사이의 평형 상태 부근에 상기 프로세스가 있게 한다.

만약 동일한 평균 아크 전류에서, 상기 펄스 파라메터가 기판 이온 전류를 50% 상승시키는데 사용된다면, 800V의 기판 바이어스에서 에칭 속도를 23nm/min까지 증가시키고, 그렇지 않으면 약200V의 다른 기판 바이어스가 레이어 증착과 에칭 사이의 평형 상태에 도달하기 위하여 사용될 수 있다.

이는 또한, 상기 프로세스가 800V에서 50% 듀티 사이클로만 작동하도록, 기판 바이어스 공급기 내 듀티 사이클을 바꾸는 것이 가능하고, 이러한 방법으로, 에칭과 레이어 증착 사이의 평형 상태가 설령 더 높은 전압, 즉 높은 이온 에너지에서라도 달성되기 때문에, 이러한 이온 에너지에 좌우되는 기판 표면 상의 이벤트들을 제어할 수 있다.

생산 배치들(production batches)에 대한 에칭 속도를 수학적으로 측정하는 것이 어렵기 때문에, 소정의 증발기(vaporizer) 출력에 대한 레이어 응착과 에칭 사이의 평형 상태를 확인하는 것이 바람직하다. 3분간의 기판 전처리 동안에 PVD 레이어 응착성(adhesion)의 현저한 개선이 이미 달성된다. 이로써, 상기 부착은 당해 업계의 당업자에게 알려진 스크레치 테스트(scratch test)를 사용하여 측정된다(ISO 1071, ASTM G171을 참조).

하지만, 소스의 상기 펄싱은 기판 전류를 상승시키는 것뿐 만 아니라, 음극점의 움직임에도 영향을 주고, 상기 펄싱 상태에서, 상기 음극점의 편향(deflection)이 발생한다. 상기 아크 통로에 영향을 미치기에 충분한 맥동 생성 전자기장 동안에, 강력한 전류가 변화한다. 여기서, 상기 아크가 특정한 한 장소에서 유지되는 시간이 짧은 덕분에, 대개는 커다란 금속 액적 수의 감소라는 긍정적인 측면을 가진다.

또한 상기 기판 이온 전류의 증가는 낮은 평균 소스 전류로 작동될 수 있다는 점에서 이점을 가진다. 당해 업계의 당업자는 상기 소스 전류의 감소 또한 액적 형성의 감소에 관련되어 있다는 사실을 알고 있을 것이다.

WO2006099760은, 스티어드 아크를 산화물 증착 절차에 사용될 수 있게 하기 위하여 소스 전류의 펄싱을 설명한다. 상기 아크가 스티어드 통로 상으로 이동하는 것을 막고, 상기 목표 표면이 이러한 통로 바깥으로 완전히 산화되는 것을 막기 위하여, 그리고 상기 아크 작동에 있어서 불안정을 가져오는 것을 막기 위하여, 상기 아킹(arcing)이 맥동된다(펄스화 된다). 이 결과로 상기 스티어드 아크에 대한 상기 영역 바깥으로 목표물의 산화를 방지한다. 만약 상기 스티어드 아크가 동일한 방법으로 펄싱과 바로 결합한다면, 이하의 실험 정보를 만들어 낼 수 있다.

● 스티어드 아크는 목표 재료에 대한 낮은 증발 속도를 가지지만, 액적 형성에 대한 급격히 감소된 주파수를 가진다.

● 스티어드 아크의 펄싱은 목표 재료에 대한 증발 속도의 증가를 가져오지만, 기판 이온 전류의 더 큰 상대적 증가를 가져온다.

이로써, 기판의 전처리에 있어 이상적인 조건 및 액적 형성의 빈도가 상당히 줄어드는 조건을 충족시키는 것이 가능하다.

이미 위에서 설명하였듯이, 음극 아크 증발은 반응성 프로세스에 대하여 매우 적합하다. 스퍼터 방법과는 대조적으로, 반응성 가스를 조절하는 것이 매우 용이하며, 목표 오염을 야기시키는 일 없이 잉여 반응성 가스로 작동하는 것이 가능하다. 더욱이, 반응성 가스 프로세스에 있어서, 아르곤 같은 작동 가스를 제거하는 것이 가능하고, 질소 또는 산소와 같은 순수한 반응성 가스에서 작동하는 것이 가능하다. 따라서, 이는 기판 표면 안으로 포함되게 되는 불활성 가스의 위험을 없애게 된다. 이는 스트레스에 기인하는 기판 표면의 약화를 피할 수 있을 뿐 아니라, 상기 레이어 안으로의 불활성 가스의 확산 또는 포함에 기인하는 불안정성을 피할 수도 있다.

금속 이온화에 덧붙여, 소스의 펄싱 역시 반응성 가스들을 이온화 하며, 이들 역시 기판 표면을 "처리"하는데 사용될 수 있다. 여기서, 에칭 단계는 의도적으로 지금까지 언급되지 않았다는 것을 유의해야만 한다. 본 기재의 처음에 이야기 하였듯이, 상기 전처리 목표는 상당한 재료의 제거도 아니며 상당한 레이어 증가도 아니다. 상기 프로세스는, 에칭과 레이어 증착 사이의 일종의 평형 상태가 보장되고, 이온 충돌이 일어나도록 정확히 설정되고, 가능한 많은 에너지가 금속이온 기판 표면 안으로 디퓨즈(defuse)하기 위하여, 상기 이온들을 기판 상의 "불안정한" 기판 구성요소에 삽입하거나 반응시키기 위하여 기판 표면 안으로 들어간다.

상기 프로세스는 제어가 쉽지 않는데, 특히 배치 시스템(batch system)에서 및 제조 조건 하에서 그러하다. 대체로 배치 부하(batch load)의 변화는 새로운 레이어 증착/에칭 비율을 가져온다. 또한 날카로운 엣지에서, 기판이 강한 에칭을 야기하는 더욱 강력한 전기장을 가진다는 것을 기억할 필요가 있다. 이러한 이유로, 소스가 제로 레이어 증착 범위에서 용이하게 작동될 수 있도록, 상당히 낮은 기판 바이어스로도 충분한 경계 조건에서, 만약 소스에 의해 만들어지는 증기가 최대 가능 이온 비율을 가진다면, 유리할 것이다.

아크 소스의 펄스 작동에서 만들어진 다가 이온에 적어도 관련된 금속 이온 에칭은, 확산 프로세스, 가장 바깥쪽으로의 부식, 및 상호에 대한 기판 표면 상의 다가 이온의 반응에 대한 스퍼터 효과의 평가를 허용하는 이론적 관점으로부터 충분하게 조사되지 않았다. 하지만, 철저히 경험적 관점으로부터, 금속 기판으로의 상당히 향상된 PVD 레이어 응착이 상기 프로세서의 결과로서 관찰될 수 있다. 이는 특히 HSS에 적용되고, 경금속 기판에 적용된다.

기판 전처리에 대한 프로세스 파라메터의 적용에 있어서, 제 1 단계는, 30초 내지 10분 사이의 시간 동안, 시스템의 배치 로딩(batch loading)에 의존하여, 레이어 증가 없이 또는 20nm 이하의 레이어 증가가 기판상에서 측정되도록, 특정 목표 재료, 소스 전류, 소스 전류의 펄스 형태, 소스 자기장, 기판 바이어스, 작동 가스 압력 및/또는 반응성 가스 압력, 프로세스 윈도우가 확립되도록 수행되는 캘리브레이션(calibration)이다. 이를 성취하기 위하여, 금속 기판뿐 아니라 분석 목적의 실리콘 웨이퍼(silicon wafer) 샘플이 상기 시스템에서 처리된다. 실리콘 웨이퍼에 있어서, 비록 약간의 웨이퍼 두께가 당업자에게 잘 알려진 RBS 분석방법을 사용하여 특히 손쉽게 측정될 수 있다.

대부분의 시간, 상기 작동은 가능한 낮은 소스 전류로 수행되었고, 다가 이온의 높은 수율을 얻기 위하여 가능한 가파른 기울기의 펄스로 수행되었다. 그리고, 소스(들)의 이러한 작동으로부터 나온 레이어는 다양한 바이어스 전압, 일반적으로 40V 내지 1,200V 사이의 바이어스 전압에 대하여 측정되었다. 이에 관한 결과가 기판 상의 대략 제로 증가(zero growth, +/- 5nm)를 설정하도록 상기 프로세스 파라메터가 선택되도록 사용되었다.

기판 파라메터의 이러한 타입에 있어서, 기판 표면 안으로 들어가는 높은 에너지(다가 이온)을 사용에 의해, 기판 구성요소와의 화학적 반응을 만들어 내는 가능성 또는 기판 표면의 근처에서 확산 프로세스를 촉발시키는 가능성이 있다는 것이 중요하게 나타난다.

아무런 제한 없이, 크롬(chromium)으로 구성된 목표 소스의 이온들을 가진 탄화물의 형성이 특히 중요하다는 것이 여기서 언급되어야만 한다. 아르곤 가스를 가진 전통적인 에칭 프로세스의 경우에 있어서, 그 목표는, 예를 들어 세척 프로세스(polishing process)의 잔여물과 같이 기판 표면의 자유 입자들이 실제 증착 프로세스가 시작되기 이전에 제거되도록, 기판 표면으로부터 재료를 제거하는데 있다. 대부분의 경우에 있어서, 이러한 전통적인 방법은 상기 간단히 언급한 실제 기판 전처리가 시작되기 이전에 계속 유지되는데, 이는 오직 남아있는 이질적 재료의 가장 거친 잔여물들이 기판 표면으로부터 제거되는 경우에만 기판 전처리의 의미가 있다는 것이 자명하기 때문이다. 여기서 관심을 가지는 기판 전처리의 단계에 있어서, 당연히 스퍼터링 프로세스(sputtering process) 또한 다가 크롬 이온이 기판 표면과 충돌하는 경우에 발생한다. 하지만 다가 이온들의 다중 에너지 입력 또한 동시에 화학적 반응을 유발시킨다. 하지만, 위에서 언급하였듯이, 본 발명의 기판 전처리의 최종 목적은 재료를 제거하는 것이 아니며, 오히려 화학전 반응을 촉진시키는 것이다. 만약 크롬 이온이 바로 상당히 높은 에너지를 가지고 있다면, 예를 들어 텅스텐 탄화물과 약간의 기본 텅스텐 및 탄화물로 구성되며 전통적으로 바인더(binder)로서 코발트(cobalt)를 담고 있는 경금속 기판(나사절삭용 인서트 공구, thread-cutting insert)에 있어서, 크롬 탄화물 및/또는 Cr, Co, W의 혼합 결정(mixed crystal)의 형성이 발생할 수 있다. 더 높은 크롬 이온 비율일수록, 보다 확실한 탄화물 형성을 가져온다. 다가 이온의 비율은 사실 여러 번 상기 에너지를 가져오기 때문에 많은 기여를 할 수 있고, 이 때문에, 기판 안으로 침투할 수 있고, 비록 약간 더 깊은 레벨에서 위치된 구성요소에 대하여도 반응할 수 있다.

X-TEM을 사용한 상 분석(phase analysis)은 크롬을 가진 탄화 상(carbide phase)의 존재를 확인한다. 이러한 크롬 탄화물 단계가 이미 기판 전류의 약간의 증가된 상태로 나타나지만, 티타늄(titanium)의 경우에 있어서, 높은 기판 이온 전류로 작업하는 것 및 높은 기판 바이어스로 작업하는 것은 임의의 탄화물 형성을 탐지하기 위하여 필요하다.

하나의 추가적인 실험 결과가, 기판 표면 안으로의 이온들에 의한 에너지 입력으로 촉발되는 확산 프로세스와 관련하여 언급되어야만 한다. RBS 및 SIMS를 사용한 관찰은, 기판 전처리 이후에, 기판 표면 안으로 코발트(바인더)의 상당한 확산이 일어 났다는 것을 의미한다. 이는, 선형 응착 향상 및 도구의 더 낳은 성능 또한, 습식 세척 단계에 의해 코발트가 감소된 경금속 표면이 다시 "회복되고", 상기 표면을 향한 코발트 확산 때문에 다시 상당한 정도의 강도를 되찾는다는 사실 때문이다.

이미 위에서 언급되었지만, 반응성 가스에서 아크 소스의 단독 작동 역시 가능하다. 하지만, 높은 압력에서의 이러한 반응성 가스에서의 작동은, 기판 전류의 감소를 유발할 수 있다. 이는 다가 금속(소스) 이온들과 반응성 가스 원자들 사이에서의 전하 이동 반응 때문이다. 이러한 경우에 있어서, 아크 소스의 펄스 작동은 두 개의 관점에서 도움을 준다. 하나는, 다중 중전 금속 이온을 만들기 때문에 기판 전류를 증가시킨다는 점이고, 다른 하나는, 높은 이온화 때문에 반응성 가스의 화학적 반응성 역시 증가시킨다는 점이다. 이러한 결과, 금속 가스 이온들과 기판 표면의 구성 요소들과의 화학적 반응이 발생하는 것뿐 만 아니라, 예를 들면 질소와 기판 표면의 구성요소간의 반응 역시 발생하게 되기 때문에, 질화물을 형성한다.

반응성 가스인 산소를 사용한 기판 전처리 또한, - 산화물 세라믹(ceramics) 같이 비 금속적 기판들 내 그 밖의 것들 사이에서 - 산화물 레이어들을 증착할 때, 레이어 응착의 상당한 향상을 설명한다. 이러한 프로세스는 RF 기판 바이어스의 적용을 통하여 더욱 촉진될 수 있다.

마지막으로, 더 높은 반응성 가스 압력이 액적의 형성을 더욱 감소시키지만, 소스의 펄싱이 기판 전류의 상실에 대하여 보정(compensate)을 가능하게 한다는 점 역시 추가되어야만 한다.

보통의 습식 화학적 전처리, 특히 나사절삭용 인서트 공구(thread-cutting insert)같은 경금속 기판 또는 그 밖의 특정 HSS 타입의 화학적 전처리는, 특정 재료의 구성요소에 관한 기판 표면의 감소(예를 들면 흔히 코발트가 사용되는 경금속에서의 바인더의 감소)를 야기할 수 있다. 이는 특히 기판 표면을 향한 코발트의 집중이 절단 날이 이후 적용되는 단단한 재질의 레이어(TiC, TiCN, Al203)의 보다 나은 보조를 위해 더 큰 힘을 받도록 증가되는 나사절삭용 인서트 공구(thread-cutting insert)에 특히 결정적이다(US 04497874 참조). 본 발명의 발명자는 본 발명에 따라 설명된 상기 방법이, 기판 표면 쪽에 있는 코발트의 확산이 시작될 수 있고 이로써 습식 화학적 전처리에 의해 유발되는 손상이 크게 보정될 수 있다는 사실에 기여한다는 것을 발견할 수 있었다. 이러한 점에 비추어, 손상된 레이어는, 레이어 응착이 보장될 수 있도록 응착 챔버 내 더욱 긴 에칭 단계를 사용하여 제거되어야만 하였다. 발명자는 또한 이러한 회복 프로세스, 특히 본 실시예에서 절단 날(cutting edge) 및 나사절삭용 인서트 공구(thread-cutting insert)는 기판의 절단 날의 증가된 이온 충돌 때문에 매우 효율적이라는 것을 측정할 수 있었다. 이에 대한 한 가지 가능한 설명은, 이온 충돌의 증가가 바이어스가 작은 엣지 반경(radius)를 가진 형상에 적용된 때 발생하는 전계 증가(field enhancement)에 의해 유발된다는 점이다. 이는 여기서 코발트 확산의 실시예로서 설명되었지만, 필수적인 적은 아니며 기판 표면 상의 열적 제어되는 "회복 프로세스"의 그 밖의 종류에도 적용될 수 있다.

상기 실시예의 또 다른 이점은 텅스텐의 탄화 상(carbide phase)에 관한 것이다. 이는, 이러한 텅스텐의 탄화 상(흔히 말하는 에타 상(eta phase), US04830886)이 손상되기 쉬우며, 차후 적용된 경화 재료 레이어(hard material layer)의 열악한 응착성을 가져온다는 사실이 CVD 기술에서 잘 알려져 있다. 본 발명의 발명자는 본 발명에 따른 방법의 도움으로, 불안정한 탄소 혼합물 및 비혼합 탄소가 안정한 탄화물 또는 혼합 결정 안으로, 본 발명에서 사용되는 높은 에너지의 금속 이온들을 사용하여, 성공적으로 변형할 수 있다는 점을 측정하였다.

다중 이온들을 통한 이온 충돌이 기판 표면 상에서 만들어 내는 높은 온도는, 특히 도구의 절단 날에서, 상기 언급된 화학적 반응을 촉발시키는 것에 덧붙여, 상기 이용 목표 재료 및 기판 재료 모두의 확산 프로세스를 촉진시킨다. 본 발명의 발명자는, 기판 표면의 최 외각 레이어 안으로의 확산, 특히 Ti 확산이, TiN, TiCN 또는 TiAlN 같은 Ti를 담고 있는 경 재료(hard material) 레이어 의 응착에 대하여 유리하다는 점을 측정하였다. 특히, 매우 다른 물리적 기계적 특성들을 가진 경 재료 레이어로의 유리한 응착 전이(adhesive transitions)가 시행된다면, 예를 들면 경금속 상의 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 크롬 산화물 또는 붕소 질화물 또는 실리콘 질화물의 직접적인 증착으로 시행된다면, 기판에 대한 목표 원자들의 이러한 확산은 매우 유리할 것이다. 따라서 본 발명은 경금속 상의 이러한 레이어들을 증착하는 매우 좋은 방법을 제공한다.

발명자는 또한, 이러한 확산 방법이 다중 레이어(multilayer) 시스템에서의 전이에도 사용될 수 있다는 점을 측정하였다. 이 점에 관하여, 인입 이온들의 에너지가 기판 표면 지역에 한정될 수 있다는 점과 전통적인 전처리 단계가 일반적으로 단 몇 초만 지속된다는 점이 매우 유리하며, 상기 에너지는 사실상 기판 표면 상에, 특히 절단 날에 높은 온도를 가져오지만, 전체 기판의 과도한 열적 스트레스를 가져오지 않는다.

상기 언급된 확산 프로세스가 이온 출동 동안에 국부적 온도 상승에 의하여 유발되기 때문에, 처리 후에, 기판 레이어 전이 지역은 비록 이후 절단 적용에 있어서도 열적으로 안정 상태이며, 수반되는 상승 기판 온도에서, 대응하여 도구 사용 동안의 바람직하지 못한 확산 프로세스를 줄인다.

상기 언급된 사실에 기초하여, 상기 방법은 경 재료 레이어의 합성(즉, 상기 확산 프로세스)에도 사용되는 재료들로 구성된 목표물을 사용하는 것이 가능하고, 상기 화학적 반응은 상기 레이어로 이후 되돌아 오는 재료들을 통해 수행된다는 또 다른 이점을 가진다. 이렇나 방법을 통해, 의도적으로 화학적 반응 및 확산 프로세스를 시작하도록 합금 목표물 및 다양한 반응성 가스를 사용하는 것 또한 가능하다.

또한 상기 전처리 단계는, 반응성 가스와 함께, 고온에서 안정적이고 이후 증착되는 레이어의 핵형성(nucleation) 활동에 대한 바람직한 영향을 발휘하는 화합물(compound)로 기판 표면의 금속성 구성 요소를 변형시키는데 사용될 수 있다. 알루미늄 또는 크롬 상의 코론덤 상(corundum phase)의 형성이 여기의 실시예로서 언급되었다.

Claims (17)

1. 진공처리 시스템 내의 작업물 표면을 처리하는 방법으로서,
   아크 증발 소스(arc vaporization source)의 일부인 목표물로 구현되는 제 1 전극을 가지고, 상기 제1 전극에 의해, 아크는 아크 전류에 의해 동작되고, 적어도 부분적 및 간헐적으로 작업물 표면에 증착(deposit)되는 재료를 목표물로부터 증발시키며;
   작업물 홀더(holder)로 구현되면서, 상기 작업물과 함께 바이어스 전극을 구성하는 제 2 전극을 가지고, 필수적으로 작업물의 표면 상에서 순 재료증강(net material buildup)이 일어나지 않도록 아크 전류에 부합(match)되는 바이어스 전압이 전압 공급기를 이용해서 상기 바이어스 전극에 인가되는, 표면 처리 방법에 있어서,
   상기 제1전극은 펄스 전류(pulsed current)로 작동되고, 전류의 맥동(pulsation)은 상기 재료의 다가 금속 이온(multicharged metal ion)을 생성함으로써 비펄스(non-pulsed) 작동 보다 증가된 작업물 표면을 통과하는 기판 전류를 야기하고, 결과적으로 상기 제1 전극의 비펄스 작동의 경우에 비해 더 작은 바이어스 전압(bias voltage)에서, 표면 상에서 순 재료증강이 일어나지 않으며,
   상기 아크 전류의 펄스가 적어도 1,000 A/ms의 전류 상승 값을 발생시키기 위하여 선택되며,
   목표물로부터 증발된 재료에 연관되는(질량/단위 아크전류/단위 시간), 평균 기판 이온 전류 증가는, 시간 당 동일한 평균 아크 전류(DC 및 펄스 전류)에 대하여 10% 이상이고,
   제로 증가 또는 5nm/s 이하의 증가률이 기판 상에서 달성되고,
   펄스 기울기로 1,000 A/ms 이상인 기울기가 사용되며,
   펄스 주파수로 100Hz 이상인 주파수가 사용되는 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 표면처리 방법은 작동 가스(working gas) 및/또는 반응성 가스(reactive gas)없이 수행되는 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 기판 바이어스 전압은 펄스 형식(pulsed fashion)으로 작동되는 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 기판 바이어스 전압의 현재 펄스 주파수는 상기 아크 전류의 펄스 주파수에 1을 포함하는 정수 배가 곱하여진 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 아크 전류의 펄싱(pulsing)에 관하여, 상기 바이어스 전압의 펄싱은, 상기 목표물에서 기판까지의 이온의 평균 비행시간에 필수적으로 대응하는 시간 간격에 의해 위상 변위(phase shift) 되는 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나에 있어서,
   상기 표면처리 방법에서는, 경금속(hard metal)이 기판으로 사용되고, 상기 기판 표면은 나사절삭용 인서트 공구(thread-cutting insert)와 같은 절단 날(cutting edge)이고, 상기 표면처리 방법을 통해 표면의 코발트 감소를 막을수 있는 점을 특징으로 하는 표면처리 방법.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나에 있어서,
   상기 목표 재료 및/또는 반응성 가스가 화학적으로 기판의 구성 요소 재료와 반응하여, 이로써 더욱 안정한 구성요소를 생산하는 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.
8. 제7항에 있어서,
   금속 목표물이 상기 목표물로 사용되고, 상기 기판은 탄소를 함유하고 있으며, 상기 화학적 반응은 탄화물(cardibe)의 형성을 야기시키는 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 방법은, 상기 아크 목표물 정면에서 배플 플레이트(baffle plate)를 가지는 표면 처리 및 상기 배플 플레이트를 가지지 않는 표면 처리 모두를 수행할 수 있는 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.
13. 삭제
14. 삭제
15. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나에 있어서,
    표면처리 결과가, 한쪽 상의 목표물 재료 및 반응성 가스와 다른 한쪽 상의 기판 재료 사이에서 기판 표면에 화학적 결합의 형성이 탐지될 수 있는 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.
16. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 표면처리 방법은, 레이어 빌드업(layer buildup)이 발생없이 상기 반응성 가스에서 수행되는 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.
17. 기판 내부에 비해 기판 표면에 감소된 재료(depleted material)의 부분적 회복을 집중하도록 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.

Images