KR101934141B1 - 균질의 HiPIMS 코팅 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 코팅 챔버의 높이에 대해 내내 균질의 박막층들이 증착 가능한 HiPIMS 방법에 관한 것이다. 상기 목적을 위해 2개의 캐소드가 사용된다. 본 발명에 따라, 부분 캐소드들에 적용되는 개별 전력 펄스 간격들의 길이가 개별로 선택됨으로써, 코팅 챔버의 높이에 대해 내내 요구되는 코팅 두께 프로파일이 구현된다.

Description

균질의 HiPIMS 코팅 방법{HOMOGENEOUS HIPIMS COATING METHOD}
본 발명은 코팅 챔버의 높이에 대해 내내 균질의 박막층들을 증착할 수 있는 HiPIMS 방법에 관한 것이다.
HiPIMS 기술은 물리적 기상 코팅 방법이다. 더 자세하게는, 마그네트론을 이용한 스퍼터링 공정으로서, 스퍼터링 물질을 공급하는 타겟이 매우 높은 방전 전류 밀도에 노출됨에 따라, 플라즈마 내에 높은 전자 밀도가 생성되고 스퍼터링된 입자들의 대부분이 이온화된다. 이를 위해, 250W/cm2 및 2000W/cm2 사이의 전류 밀도가 사용되고 따라서 전력을 공급하는 제너레이터에 특정 요구사항이 뒤따르게 된다. 특히, 이러한 전력이 타겟에 지속적으로 인가되도록 하는 것은 불가능한데, 왜냐하면 타겟이 과열되고 손상될 것이기 때문이다. 따라서 전력은 펄스화되어야 한다. 전력 펄스 내에서, 매우 높고 원하는 방전 밀도가 달성되고 타겟은 가열되며, 무-임펄스 기간 동안 (임펄스 휴지기) 타겟은 다시 냉각될 수 있다. 임펄스 지속시간 및 무-임펄스 주기는, 타겟에 도달하는 평균 전력이 임계값을 초과하지 않도록 서로 조정되어야 한다. 따라서 HiPIMS에 대해, 펄스화되는 경우, 매우 높은 전력을 공급할 수 있는 제너레이터가 필요하다.
HiPIMS 방법이 가공품의 코팅에 사용되는 경우, 가공품들은 종종 전체의 유용한 코팅 높이에 걸쳐 분산된다. 가공품들은 도구뿐만 아니라 다른 부품들까지 둘다 의미하는 것으로 이해된다. 많은 경우에서, 가공품들이 상단, 중단, 하단에 위치하든지에 관계없이 동일한 박막 두께 및 동일한 박막으로 가공품들을 코팅하는 것이 중요하다. 이러한 목표는, HiPIMS 공정에서 플라즈마 및 그 밀도가 코팅율에 상당한 영향을 미는 경우에 특히 달성하기 어렵다. 이는 다른 무엇보다도 플라즈마 자체가 그들을 둘러싼 환경에 의해 좌우된다는 점 때문이며, 이는 코팅 챔버의 높이에 걸쳐 상이한 코팅율을 야기할 수 있다. DC 스퍼터링에서는, 일반적으로 상기 높이에 걸쳐 자기장을 조정함으로써 이를 보상하기 위한 시도가 이루어진다. 그러나 마그넷 시스템에 대한 개입은 수정된 플라즈마 조건에 국지적으로 이어질 수 있으며, 이는 결국 상이한 박막 특성들을 야기하게 된다. 박막 두께 분포의 관점에서 발생된 높은 요구조건은 사용 영역에 있어 제한을 초래하는데(그리고 따라서 경제효율의 감소를 초래), 상기 언급된 방법의 효율은 박막 두께의 균일성의 개선에 대해 제한되기 때문이다. 박막 두께를 보정하기 위한 추가적인 방법으로 마스크가 사용되는데, 그러나 이 방법은 적재물 또는 공작물의 형상 변화에 대해서는 매우 실용적이지 못하다.
본 발명의 목적은, 플라즈마 밀도에 부정적 영향을 주지 않고 및 박막 특성에 대한 어떠한 부정적 영향 없이도, 단순한 방법으로 코팅 챔버의 높이에 걸쳐 코팅율을 조절함으로써 전 챔버 높이에 대해 내내 균질의 코팅을 구현할 수 있는 HiPIMS 방법을 제시하는 것이다.
다른 특허 출원의 맥락에서 보호되고 있는 전력 임펄스를 제공하기 위한 새로운 방법에 따른 방법은, 제 1 부분 캐소드(a first partial cathode) 및 제 2 부분 캐소드(a second partial cathode)를 포함하는 PVD 스퍼터링 캐소드를 작동시키는 것으로, 이 경우 부분 캐소드들에 대해 최대의 평균 전력 공급 값이 사전 설정되고 전력 펄스 간격의 지속시간이 사전 설정되며, 상기 방법은 다음 단계들을 포함하며;
a) 사전 설정된 전력 출력을 가진, 바람직하게는 적어도 접속 후에 및 전력 증대 간격(power buildup interval)의 종료 후에 일정한 전력 출력을 가지는 제너레이터를 제공하는 단계;
b) 제너레이터의 작동 스위치를 켜는 단계;
c) 제 1 부분 캐소드에 제너레이터로부터의 전력이 공급되도록 제 1 부분 캐소드를 제너레이터에 연결하는 단계;
d) 제 1 부분 캐소드에 대응하는 사전 설정된 제 1 전력 임펄스 간격의 종료 후, 제너레이터를 제 1 부분 캐소드로부터 분리하는 단계;
e) 제 2 부분 캐소드에 제너레이터로부터의 전력이 공급되도록 제 2 부분 캐소드를 제너레이터에 연결하는 단계;
f) 제 2 부분 캐소드에 대응하는 사전 설정된 제 2 전력 임펄스 간격의 종료 후, 제너레이터를 제 2 부분 캐소드로부터 분리하는 단계;
여기서 제 1 전력 임펄스 간격은 시간적으로 제 2 전력 임펄스 간격 전에 시작하고 제 1 전력 임펄스 간격은 시간적으로 제 2 전력 임펄스 간격 전에 종료하며, 상기 d) 및 e) 단계는 제 1 전력 임펄스 간격 및 제 2 전력 임펄스 간격이 시간적으로 중첩되고 모든 전력 임펄스 간격이 제 1 그룹을 함께 형성하도록 수행됨으로써, 제너레이터로부터의 전력 출력이, 제 1 전력 임펄스 간격의 시작에서 제 2 전력 임펄스 간격의 종료까지 중단없이 연속적으로 공급되고 제 2 전력 증대 간격이 발생하지 않도록 한다.
코팅 챔버의 높이에 걸쳐 2개 이상의 부분 캐소드가 제공되는 경우, 하나의 그룹으로 2개 이상의 전력 임펄스 간격을 구성할 수 있다. 본 발명에 따른 방법에서는, 개별의 부분 캐소드들이 온도 증가의 측면에서 버틸수 있는 만큼, 많은 그룹들이 순차적으로 차례로 스위칭된다. 그런 다음 휴지기(pause)가 뒤따른다. 도 1은 6개의 부분 캐소드와 3개의 그룹을 가진 상황에 대해 도시한다.
본 발명에 따라, 플라즈마 밀도에 부정적 영향을 주지 않고 및 박막 특성에 대한 어떠한 부정적 영향 없이도, 단순한 방법으로 코팅 챔버의 높이에 걸쳐 코팅율을 조절함으로써 전 챔버 높이에 대해 내내 균질의 코팅을 구현할 수 있는 HiPIMS 방법이 제시 가능하다.
도 1은 6개의 부분 캐소드와 3개의 그룹을 가진 전력 임펄스 간격에 대해 도시한다.
본 발명에 따르면 상기 과제는, 개별의 전력 임펄스 간격의 길이가 독립적으로 선택되어, 요구되는 코팅 두께 프로파일(profile)이 코팅 챔버의 높이에 대해 내내 구현됨으로써 해결된다. 본 발명은, 보통의 경우와 달리 코팅 챔버의 높이에 걸쳐 조절되는 자기장에 대한 개입에 의해서가 아니라 전력 펄스 간격의 지속시간에 의해 해결된다. 이에 대한 내용이 도 1에 도시되어 있다. 제 1 부분 캐소드에 할당된 전력 임펄스 간격은 부분 캐소드 5에 할당된 전력 임펄스 간격보다 현저히 길다는 것을 알 수 있다. 이러한 긴 전력 펄스 간격에 의해, 부분 캐소드 1로부터의 평균 코팅율은 부분 캐소드 5로부터의 평균 코팅율보다 길다.
실제로 상기 방법은 예컨대, 처음에는 모든 부분 캐소드들의 전력 임펄스 간격이 같은 길이가 되도록 선택한 다음, 보정을 목적으로 제 1 코팅이 수행되도록 할 수 있다. 이어서, 코팅 두께는 코팅 챔버의 높이에 대해 내내 구현된다. 두께의 차이가 발견되면, 박막층이 평균 두께와 비교하여 너무 작은 모든 경우에, 전력 펄스 간격은 다소 증가한다. 박막층이 평균 두께와 비교하여 너무 큰 모든 경우에, 전력 펄스 간격은 다소 감소한다. 이러한 방법에 의해 밸런스가 달성될 수 있으며, 당업자에게 있어 상기 균질화를 추가로 개선하기 위한 다양한 반복적 단계가 수행될 수 있음이 명확하다.
본 발명은 코팅 챔버 높이에 대해 내내 구현 가능한 박막 두께의 균질화에 기초하여 기술되었다. 그러나 박막 두께의 프로파일이 특히 균질화로부터 벗어나도록 구현되는 경우에도, 필요한 부분만 약간 수정하여 본 발명이 응용될 수 있는 것으로 또한 이해되어야 한다.

Claims (5)

  1. 진공 코팅 챔버에서 HiPIMS에 의한 PVD (물리적 기상 증착) 방법으로서,
    a) 사전 설정된 전력 출력을 가진 제너레이터를 제공하는 단계 - 상기 전력 출력은 적어도 제너레이터의 스위치 온 이후, 그리고 전력 증대 간격(power buildup interval)의 종료 후에 일정한 전력 출력을 가짐 - ;
    b) 제너레이터의 작동 스위치를 켜는 단계;
    c) 제 1 부분 캐소드에 제너레이터로부터의 전력이 공급되도록 제 1 부분 캐소드를 제너레이터에 연결하는 단계;
    d) 제 1 부분 캐소드에 대응하는 사전 설정된 제 1 전력 임펄스 간격의 종료 후, 제너레이터를 제 1 부분 캐소드로부터 분리하는 단계;
    e) 제 2 부분 캐소드에 제너레이터로부터의 전력이 공급되도록 제 2 부분 캐소드를 제너레이터에 연결하는 단계;
    f) 제 2 부분 캐소드에 대응하는 사전 설정된 제 2 전력 임펄스 간격의 종료 후, 제너레이터를 제 2 부분 캐소드로부터 분리하는 단계;를 포함하고,
    하나의 전력 펄스 구간의 길이는, 코팅으로 인해 발생한 박막이 코팅 챔버 높이에 대해 내내 사전 설정된 박막 두께 분포를 가지도록, 다른 전력 펄스 간격의 길이로 변환되고,
    상기 제 1 전력 임펄스 간격은 시간적으로 제 2 전력 임펄스 간격 전에 시작하고 제 1 전력 임펄스 간격은 시간적으로 제 2 전력 임펄스 간격 전에 종료하며, 상기 d) 및 e) 단계는 제 1 전력 임펄스 간격 및 제 2 전력 임펄스 간격이 시간적으로 중첩되고 모든 전력 임펄스 간격이 제 1 그룹을 함께 형성하도록 수행됨으로써, 제너레이터로부터의 전력 출력이, 제 1 전력 임펄스 간격의 시작에서 제 2 전력 임펄스 간격의 종료까지 중단없이 연속적으로 공급되고 제 2 전력 증대 간격이 발생하지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 PVD 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    균질의 박막 두께 분포는 사전 설정된 박막 두께 분포로 선택되는 것을 특징으로 하는 PVD 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    2개 이상의 부분 캐소드가 사용되고, c) 내지 f)까지의 단계는 유사한 방식으로 그들에 적용되는 것을 특징으로 하는 PVD 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적어도 상기 전력 펄스 간격의 상대적인 길이는 코팅에 앞서 교정 코팅(calibration coating)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 PVD 방법.
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