KR101651256B1 - 다성분계 복합 dlc 제조방법 - Google Patents

다성분계 복합 dlc 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다성분계 복합 DLC 제조방법에 관한 것으로서, 챔버 내에 마련된 제1스테이지와, 제1스테이지와 이격되어 대향되게 설치되며 스퍼터링 타겟체가 장착되는 제2스테이지의 중앙에 마련된 제1자석과, 제1자석과 이격되되 제1자석과 극성이 다른 제2자석이 형성된 자력발생부와, 제2스테이지에 바이어스를 인가하는 바이어스 인가부 및 챔버 내에 아르곤가스를 공급하는 가스 공급부를 갖는 스퍼터링 장비에 의해 제1스테이지에 장착된 기판 위에 박막을 형성하되, 스퍼터링 타겟체는 제1자석과 제2자석의 사이 영역에 대향되는 부분에 첨가물질로 된 첨가물질층이 형성되어 있고, 첨가물질층 이외의 부분은 카본소재로 형성되어 있다. 이러한 다성분계 복합 DLC 제조방법에 의하면, 경도, 밀착력, 적외선 투과율 등 원하는 물리적 특성을 조정하는 첨가물질이 카본에 포함된 박막을 제조할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

다성분계 복합 DLC 제조방법{multi-composited DLC coating method}
본 발명은 다성분계 복합 DLC 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 첨가물질을 함유하는 DLC(Diamond Like Carbon) 제조방법에 관한 것이다.
다이아몬드상 카본(Diamomd-like carbon, 이하 DLC라 한다)은 높은 경도, 내마모성, 윤활성, 표면조도 등의 뛰어난 기계적 특성과 전기절연성, 화학적 안정성 및 높은 광학적 투과성을 갖고 있어 산업적으로 다양하게 사용되고 있다.
현재까지 대부분의 탄소계 박막은 반응기체로서 탄화수소계를 사용하는 RF-CVD 및 이온빔 증착 공정이 주를 이루고 있고, 아르곤과 아세틸렌 가스를 이용하여 DLC를 코팅하는 장치가 국내 공개특허 제10-2011-0115291호에 게시되어 있다.
그런데, 이러한 DLC 증착 방식은 증착시 수소의 영향에 의한 박막의 물성변화로, 최근에는 고체상의 카본을 이용한 하여 마그네트론 스퍼터링, 진공 아크법 등 다양한 방법이 보고되고 있다.
한편, 마그네트론 스퍼터링의 경우 발생된 이온의 기판으로로의 집속효율은 높아지나 스퍼터링 타겟체의 자력이 집중되는 부분의 마모가 상대적으로 심해 스퍼터링 타겟체의 이용효율이 떨어지는 단점이 있다.
또한, 카본 이외의 첨가물질에 의해 원하는 물리적 특성을 갖는 박막이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위한 것으로서, 카본에 첨가물질이 첨가된 다성분계 복합 DLC 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다성분계 복합 DLC 제조방법은 챔버와, 상기 챔버 내에 마련된 제1스테이지와, 상기 제1스테이지와 이격되어 대향되게 설치되며 스퍼터링 타겟체가 장착되는 제2스테이지와, 상기 제2스테이지의 중앙에 마련된 제1자석과, 상기 제1자석과 이격되되 상기 제1자석과 극성이 다른 제2자석이 형성된 자력발생부와, 상기 제2스테이지에 바이어스를 인가하는 바이어스 인가부 및 상기 챔버내에 아르곤가스를 공급하는 가스 공급부를 갖는 스퍼터링 장비에 의해 상기 제1스테이지에 장착된 기판위에 박막을 형성하는 방법에 있어서, 상기 스퍼터링 타겟체는 상기 제1자석과 제2자석의 사이영역에 대향되는 부분에 첨가물질로 된 첨가물질층이 형성되어 있고, 상기 첨가물질층 이외의 부분은 카본소재로 형성된 것을 적용한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 첨가물질층은 경도 향상을 위해 Ti, Ni, Fe, Cr 중 어느 하나의 소재로 형성된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 기판은 WC, SUS(steel use stainless), Si, 칼코지나이드(Chalcogenide) 중 어느 하나가 형성된 것이 적용되고, 상기 첨가물질층은 접촉력 강화를 위해 Cu, SiO2, Cr 중 어느 하나의 소재로 형성다.
또 다르게는 광학용으로 사용하기 위해 상기 기판은 칼코지나이드(Chalcogenide)로 형성된 것이 적용되고, 상기 첨가물질층은 적외선 투과율을 높일 수 있는 Se, Sb, Ge, ZnS, ZnSe 중 어느 하나의 소재로 형성된다.
또한, 상기 스퍼터링 타겟체의 중앙을 중심으로 상기 첨가물질층은 동일 이격 거리에 원궤도 상에 상호 이격되게 복수개 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 다성분계 복합 DLC 제조방법에 의하면, 경도, 밀착력, 적외선 투과율 등 원하는 물리적 특성을 조정하는 첨가물질이 카본에 포함된 박막을 제조할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 다성분계 복합 DLC 제조방법을 수행하는 장비를 개략적으로 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1에 적용되는 스퍼터링 타켓체의 평면도이고,
도 3은 도 2의 스퍼터링 타켓체의 단면도이고,
도 4는 도 2의 스퍼터링 타겟체의 사용경과에 따른 식각부위를 설명하기 위한 단면도이고,
도 5는 도 2의 스퍼터링 타겟체의 제조과정을 설명하기 위한 소결장비를 나타내 보인 단면도이고,
도 6은 도 5의 상부 및 하부 펀치를 나타내 보인 사시도이고,
도 7은 도 5의 소결장비에 의해 1차로 형성된 소결체를 나타내 보인 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다성분계 복합 DLC 제조방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 다성분계 복합 DLC 제조방법을 수행하는 장비를 개략적으로 나타내 보인 도면이고, 도 2는 도 1에 적용되는 스퍼터링 타켓체의 평면도이고, 도 3은 도 2의 스퍼터링 타켓체의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 적용되는 스퍼터링 장비(100)는 챔버(110), 제1스테이지(120), 제2스테이지(130), 제1 및 제2자석(141)(142), 바이어스 인가부(150), 가스공급부(160)를 구비한다.
챔버(110)는 내부공간을 진공화 할 수 있게 배기기 가능한 펌프(미도시)가 결합되어 있다.
제1스테이지(120)는 챔버(110) 내의 하부에 마련되어 박막을 형성하고자 하는 기판(10)이 장착된다.
제2스테이지(130)는 제1스테이지(120)와 이격되어 대향되게 설치되며 스퍼터링 타겟체(170)가 기판(10)에 대향되게 장착된다.
자력발생부는 제2스테이지(130)의 스퍼터링 타겟체(170)가 장착되는 부분 반대편 중앙에 설치된 제1자석(141)과, 제1자석(141)과 이격되어 설치되며 제1자석(141)과 극성이 다른 제2자석(142)으로 되어 있다.
바이어스 인가부(150)는 제2스테이지(130)에 바이어스를 인가한다.
바이어스 인가부(150)는 제2스테이지(130)의 가장자리 일부를 에어싸게 돌출된 제1전극단(151)에 대해 제2스테이지(130)와 연결되며 제1전극단(151)과는 절연층(153)을 통해 절연된 제2전극단(155)이 음의 바이어스가 인가되게 결선되어 있다.
가스 공급부(160)는 챔버(110) 내부에 반응용 아르곤가스(Ar)와, 박막 형성후 후처리용 질소(N2)가스를 공급할 수 있도록 되어 있다.
이러한 스퍼러링 장비(100)에 의해 다성분계 복합 DLC 막(30)을 형성하는 과정을 이하에서 설명한다.
먼저, 제2스테이지(130)에 장착되는 스퍼터링 타겟체(170)는 원판형으로 형성되 메인바디(171) 중 제1자석(141)과 제2자석(142)의 사이영역에 대향되는 부분에 첨가물질로 된 첨가물질층(173)이 형성되어 있다.
즉, 메인바디(171)의 첨가물질층(173) 이외의 부분은 카본(C)소재로 형성되어 있다.
첨가물질층(173)은 스퍼터링 타겟체(170)의 메인바디(171)의 중앙을 중심으로 동일 이격 거리에 점선으로 표기된 원궤도(175) 상에 상호 이격되게 복수개 형성되어 있다.
여기서 원궤도 영역(175)은 제1자석(141)과 제2자석(142)의 사이 영역에 해당하는 부분이다.
더욱 바람직하게는 첨가물질층(173)의 중심은 제1자석(141)과 제2자석(142)의 중심 위치에 대응되게 적용한다.
첨가물질층(173)의 원궤도(175) 상에서의 점유비율은 카본과의 혼합비율에 대응되기 때문에 적용하고자 하는 첨가물질의 혼합비율에 따라 첨가물질층(173)의점유 영역을 적절하게 적용하면 된다.
이러한 스퍼터링 타겟체(170)는 스터터링 과정에서 도 4에 도시된 바와 같이 제1자석(141)과 제2자석(142)의 자력선 분포 영역 중 자력이 가장 집중되는 제1자석(141)과 제2자석(142)의 중간 부분의 식각이 가장 빠르게 진행되기 때문에 첨가물질층(173)과 카본과의 혼합 비율에 대한 조정이 보다 정밀하게 이루어질 수 있다.
첨가물질층(173)은 경도를 강화하기 위해 Ti, Ni, Fe, Cr 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다.
또 다르게는 기판(10)은 WC, SUS(steel use stainless), Si, 칼코지나이드(Chalcogenide) 중 어느 하나가 형성된 것이 적용되고, 기판(10)과의 접착력을 높이기 위해 첨가물질층은 Cu, SiO2, Cr 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다.
또한, 광학용으로 사용하기 위해 적외선 투과율을 높이기 위해 기판(10)은 칼코지나이드(Chalcogenide)로 형성된 것이 적용되고, 첨가물질층(173)은 Se, Sb, Ge, ZnS, ZnSe 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다.
이러한 스퍼터링 타겟체(170)는 국내 공개특허 제10-2011-0101732호에 게시된 소결장치를 적용하고, 도 5에 도시된 몰드(210)에 진입되는 상부 및 하부 펀치(220)(230) 중 어느 한 측에 첨가물질층(173) 형성영역에 대응되는 관통핀(240)을 장착하고, 몰드(210) 내에 카본 소재를 장착하여 1차 소결과정을 거쳐 도 6에 도시된 1차 소결체(340)를 형성한 다음, 1차 소결체(340)의 관통핀(240)에 대응되게 형성된 관통홀(342) 내에 적용하고자 하는 첨가물질을 투입하여 2차 소결과정을 거쳐 형성된 것을 적당한 크기로 잘라 사용하면된다.
바람직하게는 스퍼터링 타겟체(170)의 직경은 3인치이고, 제1스테이지(110)와 제2스테이지(130)의 이격거리는 9 내지 11인치가 적용된다.
더욱 바람직하게는 제1스테이지(110)와 제2스테이지(130)의 이격거리는 10인치가 적용된다.
또한, 제2스테이지(130)에 인가되는 바이어스 전압은 -150 내지 -200V가 적용된다.
제조과정에서는 기판(10)을 장착 후 기판(10)에 부착된 산화막을 제거하거나 세정하기 위해 아르곤을 51 Sccm, 바이어스 인가전압을 -1200V로 유지한 상태에서 150초 동안 초기 세정과정을 거친 후, 아르곤을 200 Sccm, 챔버 내부를 3.5밀리 토르(Torr), 바이어스 인가전압을 -150 내지 -200V로 유지한 상태에서 복합 DLC막(30)을 형성하면 된다. 또한, 챔버(110) 내부는 상온에서 400℃ 범위 내에서 적절한 온도를 적용하면 된다.
이러한 제조과정을 거치면, 기판(10) 위에 적용하고자 하는 첨가원소가 함유된 DLC 박막(30)이 형성된다.
이상에서 설명된 다성분계 복합 DLC 제조방법에 의하면, 경도, 밀착력, 적외선 투과율 등 원하는 물리적 특성을 조정하는 첨가물질이 카본에 포함된 박막을 제조할 수 있는 장점을 제공한다.
110: 챔버 120: 제1스테이지
130: 제2스테이지 141: 제1자석
142: 제2자석 150: 바이어스 인가부
160: 가스공급부

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  4. 챔버와, 상기 챔버 내에 마련된 제1스테이지와, 상기 제1스테이지와 이격되어 대향되게 설치되며 스퍼터링 타겟체가 장착되는 제2스테이지와, 상기 제2스테이지의 중앙에 마련된 제1자석과, 상기 제1자석과 이격되되 상기 제1자석과 극성이 다른 제2자석이 형성된 자력발생부와, 상기 제2스테이지에 바이어스를 인가하는 바이어스 인가부 및 상기 챔버내에 아르곤가스를 공급하는 가스 공급부를 갖는 스퍼터링 장비에 의해 상기 제1스테이지에 장착된 기판위에 박막을 형성하는 방법에 있어서,
    상기 스퍼터링 타겟체는 상기 제1자석과 제2자석의 사이영역에 대향되는 부분에 첨가물질로 된 첨가물질층이 형성되어 있고, 상기 첨가물질층 이외의 부분은 카본소재로 형성되어 있고,
    상기 기판은 칼코지나이드(Chalcogenide)로 형성된 것이 적용되고, 상기 첨가물질층은 Se, Sb, Ge, ZnS, ZnSe 중 어느 하나의 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 다성분계 복합 DLC 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 스퍼터링 타겟체의 직경은 3인치이고, 상기 제1스테이지와 상기 제2스테이지의 이격거리는 9 내지 11인치인 것을 특징으로 하는 다성분계 복합 DLC 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2스테이지에 인가되는 바이어스 전압은 -150 내지 -200V인 것을 특징으로 하는 다성분계 복합 DLC 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 스퍼터링 타겟체의 중앙을 중심으로 상기 첨가물질층은 동일 이격 거리에 원궤도 상에 상호 이격되게 복수개 형성된 것을 특징으로 하는 다성분계 복합 DLC 제조방법.


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