KR102145945B1 - 다성분계 코팅막 복합 증착장치 - Google Patents

다성분계 코팅막 복합 증착장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 다성분계 코팅막 복합 증착장치는, 내부 중심 영역에 합성타겟이 수용되는 수용공간이 형성된 챔버, 상기 챔버의 둘레면에 구비되며, 아킹 현상에 의해 상기 합성타겟을 이온화시키는 아크증발원 및 상기 챔버의 둘레면에 구비되되 상기 아크증발원과 자기장의 간섭이 발생하지 않는 위치에 이격되도록 배치되며, 플라즈마에 의해 가스가 이온화되어 상기 합성타겟 방향으로 분출되는 선형이온원을 포함한다.

Description

다성분계 코팅막 복합 증착장치{Complex Deposition Apparatus for Depositing Multi-Component Coating Membrane}
본 발명은 다성분계 코팅막 복합 증착장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수의 이온 소스를 이용하여 아크이온플레이팅 과정에서 형성되는 드롭렛(Droplet) 및 대형입자(Macro Particle)의 발생을 억제하고, 플라즈마 밀도를 보다 향상시킬 수 있는 다성분계 코팅막 복합 증착장치에 관한 것이다.
플라즈마 코팅막 증착기술은 오랜 시간 동안 발전되어 오는 중이며, 현재까지도 다양한 분야에서 상용화되고 있는 기술이다.
이와 같은 플라즈마 코팅막 증착기술은 잘 알려진 PVD(Physical Vapor Deposition) 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방식으로 구분될 수 있으며, 상기 PVD 방식도 이온원(Ion source), 아크원(Arc source), 스퍼터링(Sputtering)을 이용하는 등 다양한 방식으로 구분될 수 있다.
다만, 이와 같은 종래의 증착 방식은 아크점(Arc Spot)의 구역에서 타겟 표면에 매우 빠르게 진행하는 용융이 발생하며 이로 인해 액적이라고도 불리는 드롭렛(Droplet) 및 대형입자(Macro Particle)가 발생하게 되며, 이러한 액적은 스패터(Spatter)로서 방출되고 공작물에 농축됨에 따라 층 특성에 부정적인 영향을 미치게 되어 층 구조가 불균질하게 되고 표면 조도가 불량해지는 문제가 있다.
따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.
한국공개특허 제10-2008-0095300호
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 아크이온플레이팅 과정에서 형성되는 드롭렛(Droplet)이나 대형입자(Macro particle)를 줄이고, 플라즈마 밀도를 높임으로서 높은 이온화율에 의한 코팅막의 특성 향상 및 건전성 확보, 코팅막 증착속도 및 효율 향상 효과를 볼 수 있도록 하는 증착장치를 제공하기 위한 목적을 가진다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다성분계 코팅막 복합 증착장치는, 내부 중심 영역에 합성타겟이 수용되는 수용공간이 형성된 챔버, 상기 챔버의 둘레면에 구비되며, 아킹 현상에 의해 상기 합성타겟을 이온화시키는 아크증발원 및 상기 챔버의 둘레면에 구비되되 상기 아크증발원과 자기장의 간섭이 발생하지 않는 위치에 이격되도록 배치되며, 플라즈마에 의해 가스가 이온화되어 상기 합성타겟 방향으로 분출되는 선형이온원을 포함한다.
그리고 상기 아크증발원 및 상기 선형이온원은 복수 개가 구비되되, 상기 챔버의 둘레면을 따라 서로 교차되는 순서로 구비될 수 있다.
또한 상기 챔버는 상기 수용공간 내부를 외부에서 확인 가능하도록 하는 투시창을 포함하며, 상기 아크증발원 및 상기 선형이온원은 한 쌍이 그룹을 이루어 상기 투시창을 기준으로 양측에 각각 대칭되도록 구비될 수 있다.
그리고 상기 아크증발원 및 상기 선형이온원은 이온 입사 범위의 적어도 일부가 겹치도록 배치될 수 있다.
또한 상기 챔버의 내부 중심 영역에 중심축을 기준으로 회전 가능하게 구비되며, 둘레에 상기 합성타겟을 고정시키는 회전지그를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 합성타겟은 상기 합성타겟의 중심축을 기준으로 회전 가능한 형태로 상기 회전지그에 고정될 수 있다.
또한 상기 챔버는 상기 수용공간 내의 공기를 외부로 배출시켜 진공 분위기를 형성하는 진공펌프를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 선형이온원은 200~700V의 전압 및 0.3~0.7A의 전류에 의한 확산모드로 작동 가능하도록 형성될 수 있다.
또한 증착하고자 하는 코팅막은 Al-Cr-Si-N 코팅막이며, 상기 수용공간에 수용되는 합성타겟은 Al-Cr 합성타겟 및 Cr-Si 합성타겟 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
그리고 상기 합성타겟이 Al-Cr 합성타겟일 경우, 상기 아크증발원에 80~120A 범위의 전류를 인가하도록 작동될 수 있다.
또한 상기 합성타겟이 Cr-Si 합성타겟일 경우, 상기 아크증발원에 90~110A 범위의 전류를 인가하도록 작동될 수 있다.
그리고 상기 수용공간 내부에 적용되는 진공도는 1×10-3~8×10-3bar 범위를 가질 수 있다.
또한 상기 수용공간 내부에 적용되는 온도는 100~350℃ 범위를 가질 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다성분계 코팅막 복합 증착장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 아크증발원 및 선형이온원을 동시에 운용함에 따라 플라즈마상태의 이온화율(플라즈마 이온밀도)을 높여 대형입자 수를 줄이고, 이온에너지를 향상시켜 증착된 코팅막의 특성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
둘째, 이온화율이 높아지고, 이온에너지가 증가하게 되므로 기존 증착법에 비하여 상대적으로 저온에서 증착 공정이 가능해짐으로써, 생산성이 향상되고 코팅막의 불량률이 크게 감소되는 장점이 있다.
셋째, 상기와 같이 저온 공정이 적용됨으로써 고분자, 고무, 필름 등 고온에서 변형이 생기는 제품들에도 코팅막 증착이 가능하게 되는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 다성분계 코팅막 복합 증착장치의 모습을 나타낸 도면;
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 다성분계 코팅막 복합 증착장치에 있어서, 아크증발원 및 선형이온원의 배치 형태를 나타낸 도면;
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 다성분계 코팅막 복합 증착장치에 있어서, 아크증발원 및 선형이온원의 모습을 나타낸 도면;
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 다성분계 코팅막 복합 증착장치에 있어서, 아크증발원 및 선형이온원의 모습을 나타낸 도면; 및
도 5는 본 발명에 따른 다성분계 코팅막 복합 증착장치의 운용 과정에서, 이온포화전류밀도에 따른 플라즈마밀도의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 다성분계 코팅막을 대상에 증착시키기 위한 다성분계 코팅막 복합 증착장치에 관한 것으로서, 상기 다성분계 코팅막은 하나 이상의 원소를 결합시켜 하나의 코팅막으로 완성시키는 것이다. 예를 들면 가장 일반적인 Ti-N과 같이 2성분계 합성 코팅막을 비롯하여 Ti-Si-N, Ti-Al-N, Al-Cr-N과 같은 3성분계, Ti-Al-Si-N, Al-Cr-Si-N과 같은 4성분계, 더 나아가 5~7성분계 코팅막 등이 있다.
그리고 도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 다성분계 코팅막 복합 증착장치의 모습을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 다성분계 코팅막 복합 증착장치는 챔버(100)와, 회전지그(140)와, 아크증발원(120)과, 선형이온원(130)을 포함한다.
상기 챔버(100)는 내부에 수용공간(105)이 형성되며, 상기 수용공간(105)의 내부 중심 영역에는 합성타겟(150)이 수용된다.
상기 합성타겟(150)은 코팅막을 증착시키는가에 따라 다양한 합성 성분을 가질 수 있다. 예컨대, 목표로 하는 코팅막이 Al-Cr-Si-N 코팅막일 경우에는 Al-Cr 합성타겟 및 Cr-Si 합성타겟을 사용하여 코팅막을 형성하도록 할 수 있을 것이다.
상기 회전지그(140)는 상기 챔버(100)의 내부 중심 영역에 중심축(142)을 기준으로 회전 가능하게 구비되며, 둘레에 상기 합성타겟(150)을 고정시키는 구성요소이다.
이때 상기 합성타겟(150)은 상기 합성타겟(150)의 중심축을 기준으로 회전 가능한 형태로 상기 회전지그(140)에 고정될 수 있으며, 따라서 상기 합성타겟(150)은 상기 회전지그(140)의 회전에 의한 공전 및 자체 회전에 의한 자전이 가능하도록 형성된다.
한편 상기 챔버(100)의 일측에는 상기 수용공간(105) 내부를 외부에서 확인 가능하도록 하는 투시창(110)이 형성될 수 있으며, 또한 상기 수용공간(105) 내의 공기를 외부로 배출시켜 진공 분위기를 형성하는 진공펌프(미도시)를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 챔버(100)의 타측에는 상기 합성타겟(150)이 아킹 현상에 의해 용융되어 증발되면서 이온화된 입자가 대상 방향으로 이동되도록 하는 이동경로(107)가 형성된다.
상기 아크증발원(120)은 상기 챔버(110)의 둘레면에 구비되며, 아킹 현상에 의해 상기 합성타겟(150)을 이온화시키는 구성요소이다.
또한 상기 선형이온원(130)은 상기 챔버(110)의 둘레면에 구비되되 상기 아크증발원(120)과 자기장의 간섭이 발생하지 않는 위치에 이격되도록 배치되며, 플라즈마에 의해 가스가 이온화되어 상기 합성타겟(150) 방향으로 분출되도록 하는 구성요소이다.
본 실시예에서 상기 아크증발원(120) 및 선형이온원(130)은 이온 입사 범위, 즉 플라즈마 형성 범위의 적어도 일부가 겹치도록 배치될 수 있으며, 또한 자기장의 범위가 서로 간섭이 일어나지 않을 정도의 적절한 거리로 배치된다.
이와 같이 본 발명은 선형이온원(130)을 아크증발원(120)과 동시에 가동함으로써 아크증발원(120)만으로 코팅 시 적용되는 고온(450℃ 이상)에서의 증착 조건이 아니라 상대적으로 낮은 온도(100~350℃)에서 증착을 할 수 있게 되며, 이러한 공정 조건은 에너지 절감 및 생산성 향상을 가져올 수 있으며, 또한 다양한 고온에 비교적 약한 모재(폴리머, 고무, 필름 등)에도 코팅막을 증착시킬 수 있는 장점을 가지게 된다.
본 발명은 더불어 대형입자를 줄일 수 있으며, 높은 플라즈마 이온밀도를 가짐으로써 코팅막 증착 시 보다 효율적인 공정이 가능하게 한다. 이러한 플라즈마 이온밀도는 흔히 잘 알려진 랭뮤어프로브를 이용하여 측정할 수 있으며, 본 발명에서는 랭뮤어프로브의 원리를 이용한 측정기를 이용하여 이온포화전류밀도를 측정하고 이 값을 아래 <식 1>에 대입하여 플라즈마 밀도를 계산하여 유추해낼 수 있다.
Figure 112018120393764-pat00001
<식 1>
[ip, 1ω는 탐침전류의 제1차 기본 각주파수 성분, ni는 이온밀도, e는 전자의 단위 전하량, UB는 봄속도(Bohmvelocity), Ap는 프로브의 면적, V0는 프로브로 인가되는 교류전압의 진폭, I0는 0차 수정된 베셀함수, Te는 전자온도이다.]
이때 증착 시 상기 수용공간(105) 내부에 적용되는 진공도는 아크증발원(120) 및 선형이온원(130)이 모두 가동되며, 플라즈마를 발현시킬 수 있는 조건인 1×10-3~8×10-3bar 대역에서 진행될 수 있다.
그리고 상기 선형이온원(130)은 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode) 사이의 트랙(Track)에 강한 전계를 가해 이온으로 분해하여 표면 개질 및 코팅에 적용하는 플라즈마 공급원으로서, 음극과 양극을 이용하여 폐쇄형 순환 공간(Close Drift Loop)을 형성하고, 이 순환 공간을 따라 전자를 고속 이동시키는 구조로 이루어져 있다.
또한 전자가 이동하는 폐쇄 공간 내에는 챔버(100) 외부로부터 내부로 이온 생성용 가스, 즉 이온화 가스가 연속적으로 공급되도록 형성되며, 이와 같이 공급된 가스를 이온소스 내부에서 플라즈마가 발생, 내/외부 압력차에 의한 확산으로 이온을 분출하게 된다. 이렇게 분출된 이온은 이온에너지가 높고(약 500~3,000eV), 이온빔의 직진성이 좋은 장점을 가진다.
이러한 선형이온원(130)은 가해지는 전압에 따라 다른 모드로 동작될 수 있으나 본 실시예에서는 저전압, 고전류의 확산모드(Diffusion Mode)를 이용하는 것으로 하였다. 본 실시예에서 상기 선형이온원(130)에 인가되는 전압 범위는 200~700V, 전류 범위는 0.3~0.7A일 수 있으며, 이와 조건 하에서 공정이 진행될 수 있다.
그리고 상기 아크증발원(120)은 합성타겟(150)의 종류, 또한 어떠한 코팅막을 증착시키는가에 따라 가해 주는 전류의 값을 다르게 할 수 있다.
예컨대 증착하고자 하는 코팅막이 Al-Cr-Si-N 코팅막인 경우, 상기 수용공간(105)에 수용되는 합성타겟(150)은 Al-Cr 합성타겟 및 Cr-Si 합성타겟 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 또한 Al-Cr 합성타겟이 대상일 경우에는 상기 아크증발원(120)에 80~120A 정도의 전류를 가하고, Cr-Si 합성타겟이 대상일 경우에는 상기 아크증발원(120)에 90~110A 범위의 전류를 가해 줄 수 있다. 물론 이는 챔버(100) 및 합성타겟(150)의 사이즈에 따라 가변될 수 있다.
특히 고전류를 인가할 경우에는 대형입자가 발생될 가능성이 높고, 저전류를 인가할 경우에는 아킹이 발생하지 않거나 증착 효율이 떨어지기 때문에 적절한 인가 전류값을 찾는 것이 매우 중요하다.
한편 상기 아크증발원(120) 및 상기 선형이온원(130)은 복수 개가 상기 챔버(100)의 둘레면을 따라 배치될 수 있다.
구체적으로 본 실시예의 경우 상기 아크증발원(120) 및 상기 선형이온원(130)은 한 쌍이 그룹을 이루어 상기 투시창(110)을 기준으로 양측에 각각 대칭되도록 구비된 형태를 가진다.
그리고 하나의 그룹은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 아크증발원(120) 및 상기 선형이온원(130)이 이온 입사 범위의 적어도 일부가 겹치도록 배치될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 다른 실시예들에 대해 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 다성분계 코팅막 복합 증착장치에 있어서, 아크증발원(120) 및 선형이온원(130)의 모습을 챔버(100)의 횡단면을 기준으로 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 본 발명의 제2실시예 역시 상기 아크증발원(120) 및 상기 선형이온원(130)이 한 쌍이 그룹을 이루어 상기 투시창(110)을 기준으로 양측에 각각 대칭되도록 구비된 형태를 가진다.
다만, 본 실시예의 경우 상기 아크증발원(120) 및 상기 선형이온원(130)은 종 방향으로 상기 아크증발원(120) 및 상기 선형이온원(130)을 각각 관통하는 회전축(122, 132)을 기준으로 회전 가능하게 형성된 형태를 가진다.
이와 같은 형태로 인해 상기 아크증발원(120) 및 상기 선형이온원(130)은 서로의 상대 각도를 가변시킬 수 있으며, 공정 조건에 따라 이온 입사 범위의 중복 면적을 가변시키며 증착을 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 다성분계 코팅막 복합 증착장치에 있어서, 아크증발원(120) 및 선형이온원(130)의 모습을 챔버(100)의 종단면을 기준으로 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 본 발명의 제3실시예 역시 전술한 실시예들과 마찬가지로 상기 아크증발원(120) 및 상기 선형이온원(130)이 한 쌍이 그룹을 이루어 상기 투시창(110)을 기준으로 양측에 각각 대칭되도록 구비된 형태를 가진다.
다만, 본 실시예의 경우 상기 아크증발원(120) 및 상기 선형이온원(130)은 상기 챔버(100)의 둘레 방향을 따라 이격되도록 배치되는 형태가 아니라, 상기 챔버(100)의 상하 방향을 따라 이격되도록 배치된다는 점이 다르다.
또한 본 실시예는 횡 방향으로 상기 아크증발원(120) 및 상기 선형이온원(130)을 각각 관통하는 회전축(122, 132)을 기준으로 회전 가능하게 형성된 형태를 가지며, 이와 같은 형태 역시 상기 아크증발원(120) 및 상기 선형이온원(130) 간의 상대 각도를 가변시킬 수 있으며, 공정 조건에 따라 이온 입사 범위의 중복 면적을 가변시키며 증착을 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 다성분계 코팅막 복합 증착장치의 운용 과정에서, 이온포화전류밀도에 따른 플라즈마밀도의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5에 도시된 그래프에 나타난 바와 같이, 본 발명의 다성분계 코팅막 복합 증착장치는 아크증발원(120) 및 선형이온원(130)을 동시에 운용함에 따라 이온포화전류밀도에 따른 플라즈마밀도가 정비례하도록 할 수 있으며, 플라즈마 상태의 이온화율(플라즈마 이온밀도)을 높여 대형입자수를 줄이고, 이온에너지를 향상시켜 증착된 코팅막의 특성을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100: 챔버
105: 수용공간
110: 투시창
120: 아크증발원
130: 선형이온원
140: 회전지그
150: 합성타겟

Claims (13)

  1. 내부 중심 영역에 합성타겟이 수용되는 수용공간이 형성된 챔버;
    상기 챔버의 둘레면에 구비되며, 아킹 현상에 의해 상기 합성타겟을 이온화시키는 아크증발원; 및
    상기 챔버의 둘레면에 구비되되 상기 아크증발원과 자기장의 간섭이 발생하지 않는 위치에 이격되도록 배치되며, 플라즈마에 의해 가스가 이온화되어 상기 합성타겟 방향으로 분출되는 선형이온원;
    을 포함하고,
    상기 아크증발원 및 상기 선형이온원은 복수 개가 상기 챔버의 둘레면을 따라 구비되되, 한 쌍이 그룹을 이루어 상기 챔버의 상하 방향을 따라 이격되도록 배치되며, 종 방향으로 상기 아크증발원 및 상기 선형이온원을 각각 관통하는 회전축과, 횡 방향으로 상기 아크증발원 및 상기 선형이온원을 각각 관통하는 회전축을 기준으로 회전 가능하게 형성되어, 서로 간의 상대 각도를 가변시킬 수 있도록 형성되는 다성분계 코팅막 복합 증착장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 챔버는 상기 수용공간 내부를 외부에서 확인 가능하도록 하는 투시창을 포함하며,
    상기 아크증발원 및 상기 선형이온원은 한 쌍이 그룹을 이루어 상기 투시창을 기준으로 양측에 각각 대칭되도록 구비되는 다성분계 코팅막 복합 증착장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 아크증발원 및 상기 선형이온원은 이온 입사 범위의 적어도 일부가 겹치도록 배치되는 다성분계 코팅막 복합 증착장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 챔버의 내부 중심 영역에 중심축을 기준으로 회전 가능하게 구비되며, 둘레에 상기 합성타겟을 고정시키는 회전지그를 더 포함하는 다성분계 코팅막 복합 증착장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 합성타겟은 상기 합성타겟의 중심축을 기준으로 회전 가능한 형태로 상기 회전지그에 고정되는 다성분계 코팅막 복합 증착장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 챔버는 상기 수용공간 내의 공기를 외부로 배출시켜 진공 분위기를 형성하는 진공펌프를 더 포함하는 다성분계 코팅막 복합 증착장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 선형이온원은 200~700V의 전압 및 0.3~0.7A의 전류에 의한 확산모드로 작동 가능하도록 형성되는 다성분계 코팅막 복합 증착장치.
  9. 제1항에 있어서,
    증착하고자 하는 코팅막은 Al-Cr-Si-N 코팅막이며,
    상기 수용공간에 수용되는 합성타겟은 Al-Cr 합성타겟 및 Cr-Si 합성타겟 중 적어도 어느 하나인 다성분계 코팅막 복합 증착장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 합성타겟이 Al-Cr 합성타겟일 경우, 상기 아크증발원에 80~120A 범위의 전류를 인가하도록 작동되는 다성분계 코팅막 복합 증착장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 합성타겟이 Cr-Si 합성타겟일 경우, 상기 아크증발원에 90~110A 범위의 전류를 인가하도록 작동되는 다성분계 코팅막 복합 증착장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 수용공간 내부에 적용되는 진공도는 1×10-3~8×10-3bar 범위를 가지는 다성분계 코팅막 복합 증착장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 수용공간 내부에 적용되는 온도는 100~350℃ 범위를 가지는 다성분계 코팅막 복합 증착장치.
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