KR101929085B1 - Hipims 층 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 기판상에 스퍼터링에 의해 기상 증착함으로써 적어도 하나의 제 1 층을 포함하는 PVD 층 시스템을 증착하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법의 적어도 하나의 단계에서 HiPIMS 방법은 적어도 250W/㎠의 전력 밀도로 사용되고, 적어도 5ms의 주기로 임펄스 길이가 사용되는 반면, 기판상에는 기판 바이어스가 인가되는 것을 특징으로 한다.

Description

HIPIMS 층 형성 방법{HIPIMS LAYERING}

본 발명은 물리적 기상 증착(PVD)에 의해, 실제로는 마그네트론 스퍼터링(MS)에 의해 시편상에 증착되는 경질재료층에 관한 것이다.

마그네트론 스퍼터링의 두 가지 필수적인 프로세스 변형은 고전적인 CD-MS와 HIPIMS 프로세스이다.

HIPIMS의 경우, 스퍼터 제료를 공급하는 타켓은 매우 높은 방전 전류 밀도에 노출되어, 높은 전자 밀도가 플라즈마 안에서 발생되고 스퍼링된 입자들은 높은 정도로 이온화된다. 이에 대해, 250W/㎠와 2000W/㎠사이의 전류 밀도가 사용되고 따라서 특정 요구사항이 전력을 공급하는 발전기로 만들어진다. 특히, 타겟(target)이 과열되고 손상되기 때문에, 시간이 지나도 연속적으로 타겟 상에 적용되는 이러한 전력을 갖는 것은 불가능하다. 따라서 전력은 펄스화되어야 한다. 전력 펄스내에서, 원하는 아주 높은 방전 밀도가 달성되고 타겟은 가열되며, 무-임펄스 기간(임펄스 중지) 도중에 타겟은 다시 냉각될 수 있다. 임펄스 기간 및 무-임펄스(no-impulse) 주기는 타겟에 도달하는 평균 전력이 임계값을 초과하지 않는 방식으로 서로 조정되어야 한다. HIPIMS에 대해, 펄스화되는 경우 아주 높은 전력을 공급할 수 있는 발전기가 필요하다.

따라서 방전 전류가 임펄스 과정 도중에 변하도록 하는 커패시터 방전 원칙에 기반하는 특수 발전기가 가장 보편적으로 HIPIMS에 대해 사용된다. 전류-전압 진화(current-voltage evolution)를 위한 제어 프로세스는 이 방식으로 달성될 수 없다. 다른 접근법에 따르면, 나중에 고전력 펄스 내에서 임펄스 기간을 증가시킬 수 있게 하기 위해 플라즈마가 처음에 사전 이온화된다(pre-ionized). 이러한 면에서 방전 전류는 인가된 전압을 변조함으로써 조절될 수 있다. 이 방식으로, 4ms까지의 임펄스가 유지될 수 있다.

스퍼터링이 저전력 밀도, 즉 예를 들어 5W㎠ 내지 50W㎠에서 수행되는 경우 상황은 전체적으로 다르다, 이 경우, 전력은 연속적으로 타겟에 인가될 수 있다. 높은 전력을 공급할 필요도 없고 전력 공급이 펄스화될 필요도 없기 때문에 간단한 발전기가 사용될 수 있다. 이와 같은 경우, 이것이 고유한 CD-MS이다.

HiPIMS 층을 DC-MS 층과 비교하면, 상당한 구조적 차이가 명백해진다. TiAIN 코팅의 예를 들면, DC-MS 층은 DC-MS에서 반드시 주상 조직(columnar structure)(도1 참조)으로 성장한다. HiPIMS 프로세스에서, 반대로, 증기화된 금속의 이온화덕분에 층 안으로 동작 가스 이온을 모으지 않고도 미세 층 구조가 달성될 수 있는데, 기판에 적용되는 네거티브 바이어스(negative bias)의 경우, 이온화된 금속 원자 자체가 기판 위로 가속되기 때문이다. 또 다른 장점은 HiPIMS 층에서, 네거티브 기판 바이어스는 스퍼터링된 물질의 높은 이온 비율 때문에 층의 더욱 높은 밀도를 야기한다는 것이다.

미세 HiPIMS 층은 거친 주상 DC-MS 보다 단단하고 조밀할 수 있지만, 층 접 착 및 기계적 특성면에서 단점을 가질 수도 있다. 이러한 미세 HiPIMS 층은 DC-MS 층과 비해 개선된 소모 반응을 보여주며, 더욱 긴 서비스 수명을 갖게한다. 그렇지만 단점은 소모, 즉 층의 수명의 종료로서, 분명하게 보이지는 않지만, 아마도 기계적 특성 때문일 것이며, 예를 들어 박리(spalling) 형태로 빠르게 나타난다. 따라서 코팅된 도구를 언제 교체해야 하는지를 사용자가 평가하는 것은 매우 어렵다.

본 발명의 목적은 따라서 HiPIMS 기술에 대해 특유한 경도를 갖지만 예를 들어 시간에 따라 발생하는 수행 효율의 감소와 함께 사용 도중의 소모가 명확해져, 사용자가 해당 도구를 교체할 가능성을 갖도록 하는 코팅을 게시하는 것이다.

이 방법에서, 공정은 제 1 부분 캐소드(first partial cathode) 및 제 2 부분 캐소드(second partial cathode)를 포함하는 PVD 스퍼터 캐소드를 작동시키는 것으로, 여기에서 부분 캐소드에 대해 최대 평균 전력 적용이 한정되고 전력 펄스 간격(interval)의 주기가 한정되고 이 방법은 다음 단계: 즉

a) 바람직하게는 적어도 스위치를 켠 다음과 전력 빌드업 간격 완료후에 일정한 미리결정된 전원공급장치를 구비한 발전기를 제공하는 단계;

b) 발전기의 스위치를 켜는 단계;

c) 발전기로부터 전력이 제 1 부분 캐소드로 인가되도록, 발전기에 제 1 부분 캐소드를 연결하는 단계;

d) 제 1 부분 캐소드에 해당하는 제 1 전력 펄스 간격이 종료 후 제 1 부분 캐소드로부터 발전기를 분리하는(disconnect) 단계;

e) 발전기로부터 전력이 제 2 부분 캐소드로 인가되도록, 발전기에 제 2 부분 캐소드를 연결하는 단계;

f) 제 2 부분 캐소드에 해당하는 제 2 전력 펄스 간격의 종료 후 제 2 부분 캐소드로부터 발전기를 분리하는 단계를 포함하고,

여기에서 제 1 전력 펄스 간격은 제 2 전력 펄스 간격 전에 일시적으로 시작되고 제 1 전력 펄스 간격은 제 2 전력 펄스 간격 전에 일시적으로 종료되며, 단계 d) 및 e)는 제 1 전력 펄스 간격 및 제 2 전력 펄스 간격이 시간에 있어서 중첩되고 모든 전력 펄스 간격이 제 1 그룹을 함께 구성하는 방식으로 실행되어, 제 1 전력 펄스 간격의 시작으로부터 제 2 전력 펄스 간격이 종료되고 제 2 전력 빌드업 간격이 없을때까지 중단 없이 발전기로부터의 전력 공급이 연속적으로 지속된다.

위에 설명한 바와 같이, 최대 4ms의 임펄스 주기가 달성될 수 있는 HiPIMS 발전기가 현재 알려져 있다. 더 높은 출력을 갖는 임펄스를 제공하기 위한 새로운 방법 덕분에, 25ms 및 그 이상의 임펄스 주기를 달성하는 것이 가능해진다.

도1은 TiAIN 코팅의 경우, 주상 조직으로 성장하는 DC-MS 층을 나타낸다.
도3은 긴 임펄스로 증착된 층의 브레이킹 에지의 SEM 이미지를 나타낸다.

이 방법에서, 공정은 제 1 부분 캐소드(first partial cathode) 및 제 2 부분 캐소드(second partial cathode)를 포함하는 PVD 스퍼터 캐소드를 작동시키는 것으로, 여기에서 부분 캐소드에 대해 최대 평균 전력 적용이 한정되고 전력 펄스 간격(interval)의 주기가 한정되고 이 방법은 다음 단계: 즉

a) 바람직하게는 적어도 스위치를 켠 다음과 전력 빌드업 간격 완료후에 일정한 미리결정된 전원공급장치를 구비한 발전기를 제공하는 단계;

b) 발전기의 스위치를 켜는 단계;

c) 발전기로부터 전력이 제 1 부분 캐소드로 인가되도록, 발전기에 제 1 부분 캐소드를 연결하는 단계;

d) 제 1 부분 캐소드에 해당하는 제 1 전력 펄스 간격이 종료 후 제 1 부분 캐소드로부터 발전기를 분리하는(disconnect) 단계;

e) 발전기로부터 전력이 제 2 부분 캐소드로 인가되도록, 발전기에 제 2 부분 캐소드를 연결하는 단계;

f) 제 2 부분 캐소드에 해당하는 제 2 전력 펄스 간격의 종료 후 제 2 부분 캐소드로부터 발전기를 분리하는 단계를 포함하고,

여기에서 제 1 전력 펄스 간격은 제 2 전력 펄스 간격 전에 일시적으로 시작되고 제 1 전력 펄스 간격은 제 2 전력 펄스 간격 전에 일시적으로 종료되며, 단계 d) 및 e)는 제 1 전력 펄스 간격 및 제 2 전력 펄스 간격이 시간에 있어서 중첩되고 모든 전력 펄스 간격이 제 1 그룹을 함께 구성하는 방식으로 실행되어, 제 1 전력 펄스 간격의 시작으로부터 제 2 전력 펄스 간격이 종료되고 제 2 전력 빌드업 간격이 없을때까지 중단 없이 발전기로부터의 전력 공급이 연속적으로 지속된다.

이 방법을 구현할 때, 본 발명자는 5ms의 임펄스 주기 또는 그 이상으로 HiPIMS 층으로 코팅된 도구는 더 짧은 임펄스 주기로 HiPIMS 층으로 코팅된 도구보다 코팅된 도구의 수명이 다할 무렵에 상당히 다른 반응을 나타낸다. 흥미롭게도, 긴 임펄스로 증착된 층의 브레이킹 에지의 SEM 이미지는 도3에서 명확하게 볼 수 있는 바와 같이, 형태학적으로 더욱 거칠게 표현된다. 이 경우, 층의 형태학적 차이는 어떤 다른 영향을 주는 파라미터를 변경하지 않고, 단순히 임펄스 길이를 변경함으로써 달성될 수 있다.

5ms 또는 그 이상의 임펄스 주기로 증착된 층은 더짧은 임펄스로 증착된 층과 비교하여 훨씬 큰 경도 뿐만 아니라 증가된 e-모듈러스(e-modulus)를 나타낸다.

예를 들어, 본 발명자는 한편으로는 250㎲의 임펄스 길이로 다른 한편으로는 25000㎲의 임펄스 주기로 HiPIMS 방법에 의해 TiAIN 층을 증착한다. 250㎲의 임펄스 길이로 증착된 층은 약 425GPa의 e-모듈러스를 나타내고 2900HV의 경도를 갖는 반면, 25000㎲의 임펄스 길이로 증착된 층은 475GPa의 e-모듈러스를 나타내고 3100HV 이상의 경도를 갖는다.

전력 펄스를 제공하기 위해 전술된 방법은 펄스 길이가 조정될 수 있고 아주 단순한 방식으로 변경될 수 있게 하기 때문에, 코팅 프로세스 도중에 더욱 미세하고 더욱 거친 형태를 갖는 HiPIMS 층이 번갈아 나오는 층 시스템을 구성할 수 있다. 이것은 증착 프로세스 도중에 짧고 긴 임펄스 주기가 번갈아 나오는 방식에서 선택함으로써 간단한 방식으로 달성된다. 두 종류의 증착에 대해 거의 동일한 층 장력(layer tension)이 측정되었기 때문에, 이러한 교대 층 시스템(alternating layer system)은 예상한 바와 같이 소모 감소 면에서 매우 훌륭한 특성을 갖는다. 교대 층 시스템은 급격한 천이를 추가로 나타내어, 실제 경계 표면이 세립(fine-grained) 층과 조립(coarse-grained) 층 사이에 구성된다. 그러나 임펄스 주기를 급격하지 않고 꾸준하게 변경함으로써 하나 또는 복수의 점진적 천이를 달성할 수도 있다.

동일한 코팅 작업에서, 전력 펄스의 높이는 당연히 변경될 수 있다는 점에 유의하여야 한다. 특히, DC-MS에 대해 특유한 주상 성장(columnar growth)으로 층 구역을 만들어내는 이러한 임펄스 높이를 선택하는 것이 가끔은 가능하다. 층 장력의 차이는 층 시스템의 안정성에 기여할 수 있기 때문에, 이 방식으로 HiPIMS 층 및 DC-MS로부터 교대 층 시스템을 달성할 수 있다.

Claims (5)

1. 적어도 하나의 기판상에 스퍼터링에 의해 기상 증착함으로써 적어도 하나의 제 1 층을 포함하는 PVD 층 시스템을 증착하는 방법에 있어서,
   상기 방법의 적어도 하나의 단계에서 HiPIMS 방법은 적어도 250W/㎠의 전력 밀도로 사용되고, 적어도 5ms의 주기로 임펄스 길이가 사용되는 반면, 기판상에는 기판 바이어스가 인가되고, 이러한 방식으로 이 단계 도중에 발생하는 층은 다른 동일한 조건하에서 250㎲의 임펄스 길이로 증착된 비교가능한 층의 형태보다 눈에 띄게 더 거친 형태를 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)에서 가지며,
   상기 임펄스 길이는 상이한 형태의 층 사이의 천이가 적어도 한번의 점진적인 천이가 되도록 변경되는 것을 특징으로 하는 PVD 층 시스템 증착 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전력 밀도는 2000W/㎠를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 PVD 층 시스템 증착 방법.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   적어도 하나의 제 1 층에 적어도 하나의 제 2 층이 더 낮은 절대값의 바이어스로 추가로 인가되는 것을 특징으로 하는 PVD 층 시스템 증착 방법.
   
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 임펄스 길이는 이 방법 도중에 변경되어, 상이한 형태의 HiPIMS 층을 갖는 층 시스템이 생성되도록 하는 것을 특징으로 하는 PVD 층 시스템 증착 방법.
   
5. 삭제

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