KR102335906B1 - HiPIMS에 의해 성장 결함이 감소된 TiCN - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 TiCN 층을 갖는 코팅을 HiPIMS에 의해 코팅될 기판의 표면에 적용하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 적어도 하나의 TiCN 층을 증착하기 위해, 적어도 하나의 Ti 타겟이 TiCN 층을 생성하기 위한 Ti 공급원으로 사용되고, 상기 타겟은 코팅 챔버 내에서 HiPIMS 공정에 의해 반응성 분위기에서 스퍼터링되고, 상기 적어도 하나의 TiCN 층의 증착 동안에 성장 결함을 감소시키기 위해, 상기 반응성 분위기는 하나의 불활성 가스, 바람직하게는 아르곤, 및 반응성 가스로서 적어도 질소 가스를 포함하며, 하나 이상의 TiCN 층의 증착 동안에 성장 결함을 감소시키기 위하여,
- 반응성 분위기는 제2 반응성 가스로서 TiCN 층을 생성시키는 탄소의 공급원으로 사용되는 탄소 함유 가스, 바람직하게는 CH4를 추가로 함유하며, 상기 TiCN 층을 증착하는 동안 코팅될 기판에 바이폴라 바이어스 전압이 인가되고, 또는
- 적어도 하나의 그래파이트 타겟이 TiCN 층을 생성하기 위한 탄소의 공급원으로서 사용되며, 상기 타겟은 반응성 가스로서 질소 가스만을 가진 반응성 분위기와 함께 HiPIMS 공정을 사용하여 코팅 챔버에서 스퍼터링 하기 위해 사용되고, Ti 타겟들은 바람직하게는 제1 전력 공급 장치 또는 제1 전력 공급 유닛에 의해 작동되고 그래파이트 타겟들은 바람직하게는 제2 전력 공급 장치 또는 제2 전력 공급 유닛에 의한 펄스 전력으로 작동된다.

Description

HiPIMS에 의해 성장 결함이 감소된 TiCN
본 발명은 성장 결함을 감소시킨 TiCN 코팅을 표면, 특히 공작물, 부품 또는 공구의 표면에 적용하는 방법에 관한 것이다.
반응성 스퍼터 또는 HiPIMS 공정을 사용하여 코팅할 때, 금속 타겟이 증착 재료의 공급원으로서 종종 사용되고, 적어도 하나의 반응성 가스가 공정 가스로 추가로 사용된다. 본 발명의 범위 내에서, 용어 "증착" 및 "스퍼터링"은 동일하게 간주된다. 공정 중에 재료가 그로부터 빠져 나오는 스퍼터 공급원의 구성요소가 본 발명의 범위 내에서 타겟으로 지정된다.
반응성 스퍼터링 공정을 사용하거나 음극 아크 증착을 사용하여 층을 증착하기 위해, 일반적으로 2개의 반응성 가스가 필요하다. 종래 기술에 따르면, 이들은 일반적으로 질소 및 탄소 함유 가스, 통상적으로 아세틸렌(C2H2) 이다. 아크 증착은 상대적으로 강력한 공정으로 간주될 수 있지만, 공정 가스를 조절하는 것은 공정 안정성, 특히 스퍼터 또는 HiPIMS 공정에 중요한 역할을 한다.
Krassnitzer는 WO2014207154에서, 예를 들어 HiPIMS를 사용하여 TiCN 층을 증착하는 방법을 개시하고 있는데, TiCN 층을 기판 표면에 적용하기 위해 N2 및 C2H2를 함유하는 반응성 분위기에서 Ti 타겟에 대한 스퍼터링이 사용된다. HiPIMS 공정은 전력 펄스 또는 전력 펄스 시퀀스 당 적어도 0.2 주울/cm2의 타겟 면적에 대한 에너지 양을 갖는 전력 펄스 및/또는 전력 펄스 시퀀스를 이용한다. 반응성 가스 유동을 조절하거나 제어함으로써 코팅 챔버 내의 반응성 가스의 농도를 제어하고 코팅 챔버 내의 반응성 가스의 농도에 의해 색상 발현과 같은 다양한 특성을 제어하는 것이 제안된다.
스퍼터링 또는 HiPIMS 공정 중에 두 개의 반응성 가스가 기화된 타겟 재료와 반응하고 기판 상에 금속-세라믹 층을 형성하는 것이 알려져있다. 층을 치밀화하기 위해, 음의 바이어스 전압이 기판에 인가되어 양으로 대전된 이온을 기판에 가속시킨다.
반복 가능한 방식으로 최적의 층 특성을 설정하기 위해서는 스퍼터 또는 HiPIMS 공정에 대한 정확한 지식 및 제어가 매우 중요하다는 것도 알려져있다. 이와 관련하여, 공정 중에 작동점으로부터의 약간의 편차가 층 품질의 변동, 변화된 색상 특성, 공정 불안정성 및 최종적으로 공정 중단으로 이어질 수 있기 때문에 최적 작동점의 선택은 특히 중요하게 간주될 수 있다. 여기서 작동점이라는 용어는 하나 또는 복수의 반응성 가스에 대한 공정 가스의 특정 비율을 나타낸다.
선택된 작동점을 공정 중에 일정하게 유지하기 위해, 가스 유동 또는 분압 제어 시스템이 일반적으로 사용된다. 이것은 단지 하나의 반응성 가스만으로, 예를 들어 TiN을 증착할 때, 0.40 Pa의 Ar 분압 및 0.03 Pa의 N2 분압이 설정되어 전체 압력이 0.43 Pa이 되는 것을 의미한다. HiPIMS 공정에서, 작동점은 평균 펄스 파워 Pav 또는 펄스 지속 시간 tpulse과 같은 선택된 공정 조건뿐만 아니라 사용된 타겟의 상태 및 수명 또는 펌프 전력에 따라 크게 달라질 수 있다. 설정된 작동점, N2 분압 또는 이로부터 발생하는 전체 압력은 일반적으로 N2의 유동을 변경함으로써 얻어진다.
그러나, N2 및 C2H2와 같은 2개 또는 다수의 반응성 가스가 동시에 사용되는 경우, 단지 하나의 반응성 가스의 압력만이 제어 될 수 있고 다른 반응성 가스는 통상적으로 고정 유속으로 챔버 내로 유입되기 때문에 이러한 개념은 더 이상 적용되지 않는다.
앞서 언급한 이유로 인해, 공정 파라미터에 대한 약간의 변화는 원하는 작동점으로부터의 편차를 야기하며, 이는 원하는 층 품질에 부정적인 영향을 미칠 수 있다는 것을 알 수 있다.
전술한 문제들은 특히 탄소 및 질소의 두 원소가 기상으로부터 제거되고 티타늄 타겟으로부터 스퍼터링된 티타늄과 반응하여 TiCN을 형성하는 TiCN의 반응성 증착 중에 결정적인 역할을 한다. 최적 작동점의 약간의 편차도 층 특성의 상당한 편차를 유발할 수 있다.
반응성 스퍼터링 또는 HiPIMS 공정의 다른 중요한 측면은 하나 또는 복수의 반응성 가스가 타겟 표면과 반응하는 것인데, 이것은 일반적으로 세라믹 반응 생성물을 형성한다. 일반적으로, 이 공정은 타겟 중독(target poisoning)으로 알려져 있으며 스퍼터 특성 또는 공정의 작동점에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 타겟 중독 동안 타겟 표면 상에 열악한 전도성 또는 절연성 화합물이 형성되면, 이것은 방전 전압의 급격한 증가를 초래할 수 있으며 최악의 경우 전체 타겟 표면이 덮여지면 스퍼터 플라즈마의 붕괴를 야기할 수 있다.
EP 2565291 A1에서, 가스 유동 제어기가 스퍼터 소스에 부착되어 있는 상이한 타겟 재료와 함께 반응성 스퍼터링 공정을 사용할 때 타겟 중독의 현상을 방지하는 것이 제안되어 있는데, 상기 제어기는 대응하는 스퍼터 타겟에 대한 중독의 크기에 따라 반응성 가스의 유동을 설정하고, 이러한 결정은 소스 전압을 측정하고 미리 설정된 목표 값에 따라 반응성 가스의 유동을 제어함으로써 이루어진다. 그러나, 이 방법은 실시하는 데에 상대적으로 고비용이고, 반응성 가스와 함께 타겟에서의 공정에 대한 상세한 지식을 필요로 한다. 또한, 반응성 가스에 대한 공정 가스의 비율을 사용하여 원하는 작동점을 선택할 수 없다. 결과적으로, 원하는 층 특성에 따라, 이를 위해 필요한 임의의 작동점을 선택하고 안정한 방식으로 이 공정을 작동시키는 것이 가능한 방법을 갖는 것이 가장 중요하다. 본 발명은 이러한 단계를 정확하게 가능하게 한다.
층을 치밀화하기 위해, 음의 바이어스 전압이 기판에 인가되어 양으로 대전 된 이온을 기판으로 가속시킨다. 직류(DC) 바이어스 전압으로 반응성 스퍼터 또는 HiPIMS 공정을 사용하여 층을 증착할 때, 사용된 전압은 플라즈마 전위보다 커야 한다. 일반적으로, -30 V 보다 큰 DC 바이어스 전압, 예를 들어 -40 V가 기판 재료에 이온을 가속시키기 위해 인가된다. DC 바이어스 전압을 -40 V에서 -80 V로 증가시키는 것에 의해, 예를 들어 이온 에너지의 증가가 이루어지고 이것은 층의 더 높은 밀도 및 일반적으로 층의 내부 응력의 증가를 나타낸다. 종종, 층 경도의 증가가 내부 응력의 증가와 함께 또한 관찰될 수 있다.
그러나, 많은 응용 분야에서 높은 경도가 바람직한 것인 반면에, 동시에 내부 응력을 증가시키는 것이 구성요소 또는 공구의 원하는 위치에서 수 마이크로 미터의 원하는 층 두께를 달성하는 데 상당한 어려움을 초래할 수 있다. 층에서 내부 응력이 너무 높으면 점 또는 심지어 넓은 면적에서 층 박리가 발생한다.
종래의 스퍼터링 또는 HiPIMS 공정에서, 층 성장은 성장 결함을 포함한다.
종래의 스퍼터 또는 HiPIMS 공정을 사용하여 TiCN을 생성하는 경우, 층 성장 중에 성장 결함이 혼입되고 이러한 결함은 예를 들어 증착에 의해 완전히 덮이지 않은 타겟의 금속 입자 또는 시스템 내의 불순물로부터 비롯될 수 있다. 또한, 증착된 타겟 재료가 반응성 가스(들)과 반응하는 곳을 정확히 구별하는 것이 어렵다는 것은, 이미 완전한 반응을 겪은 TiCN이 티타늄 타겟의 타겟 표면 상에 존재할 수 있음을 의미하며, 다음에 이 재료는 "미립자(microparticle)"로 증착되고 기판 에서 성장하는 층에 성장 결함으로서 혼입될 수 있다. 타겟 표면의 타겟 재료와 반응성 가스에 의한 이러한 반응의 과정은 일반적으로 "중독(poisoning)"으로 알려져 있으며, 공정 파라미터 및 이 경우에 특히 반응성 가스 유동의 제어에 크게 의존한다. 일단 타겟 표면이 하나 또는 다수의 반응 생성물에 의해 완전히 덮여졌다면, 타겟은 완전히 중독된 것으로 간주된다.
또한, 층 성장 중에 아주 작은 성장 결함도 코팅되는 부품 또는 공구의 거칠기를 상당히 증가시키기 때문에 기판상의 층의 높은 표면 품질은 층 두께에 종종 좌우된다. 이것은 더 두꺼운 층이 동일한 증착 조건을 갖는 더 얇은 층의 경우보다 거칠기가 큰 경향이 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 목적은 성장 결함이 적고 동시에 가능하다면 층 경도의 손실을 전혀 초래하지 않거나 층의 내부 응력의 증가를 전혀 초래하지 않는 TiCN 층을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 방법은 바람직하게는 높은 공정 안정성을 나타낸다.
본 발명의 목적은 청구항 1에 따른 방법을 제공함으로써 달성된다.
본 발명에 따라, 적어도 하나의 TiCN 층을 갖는 코팅을 HiPIMS에 의해 코팅될 기판의 표면에 적용되며, 상기 적어도 하나의 TiCN 층을 증착하기 위해, Ti를 함유하는 적어도 하나의 타겟, 예를 들어 Ti 타겟이 TiCN 층을 생성하기 위한 Ti 공급원으로 사용되고, 상기 타겟은 코팅 챔버 내에서 HiPIMS 공정에 의해 반응성 분위기에서 스퍼터링되고, 상기 적어도 하나의 TiCN 층의 증착 동안에 성장 결함을 감소시키기 위해, 상기 반응성 분위기는 하나의 불활성 가스, 바람직하게는 아르곤, 및 반응성 가스로서 적어도 질소 가스를 포함하며, 하나 이상의 TiCN 층의 증착 동안에 성장 결함을 감소시키기 위하여,
- 반응성 분위기는 제2 반응성 가스로서 TiCN 층을 생성시키는 탄소의 공급원으로 사용되는 탄소 함유 가스, 바람직하게는 CH4를 추가로 함유하며, 상기 TiCN 층을 증착하는 동안 코팅될 기판에 바이폴라 바이어스 전압이 인가되고, 또는
- 탄소를 함유하는 적어도 하나의 타겟, 예를 들어 그래파이트 타겟이 TiCN 층을 생성하기 위한 탄소의 공급원으로서 사용되며, 상기 타겟은 반응성 가스로서 질소 가스만을 가진 반응성 분위기와 함께 HiPIMS 공정을 사용하여 코팅 챔버에서 스퍼터링 하기 위해 사용되고, Ti를 함유하는 타겟들은 바람직하게는 제1 전력 공급 장치 또는 제1 전력 공급 유닛에 의해 작동되고 그래파이트를 함유하는 타겟들은 바람직하게는 제2 전력 공급 장치 또는 제2 전력 공급 유닛에 의한 펄스 전력으로 작동된다.
본 발명자들은 놀랍게도 바이폴라 바이어스 전압이 HiPIMS 공정 중에 사용되는 경우, 매우 높은 경도를 갖는 TiCN으로 만들어진 경질 재료의 층을 생성하는 동시에 반응성 HiPIMS 공정에 의해 비교적 낮은 내부 응력을 갖는 매우 매끄러운 층 표면을 생성할 수 있다는 것을 알아내었다. 본 발명자들은 놀랍게도 HiPIMS 공정에서 반응성 가스로서 질소만이 사용되고 TiCN을 생성하기 위한 탄소는 탄소 함유 타겟에 의해 제공되는 경우, 매우 높은 경도를 갖는 경질 TiCN 재료의 층을 생성하는 동시에 반응성 HiPIMS 공정에 의해 매우 매끄러운 층 표면을 생성시킬 수 있음을 또한 알아내었다.
이러한 방식으로, 더욱더 두꺼운 층을 성장시키고 예를 들어 적용 구역에서 전술한 문제점을 극복하여, 높은 표면 품질과 낮은 거칠기를 갖는 충분히 두꺼운 층을 생성하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 TiCN 층을 증착하기 위해, 하나 또는 다수의 티타늄 타겟의 타겟 표면에 매우 높은 전력 펄스 또는 전력 펄스 시퀀스를 인가하는 HiPIMS 방법이 사용되었다. 전력 펄스의 펄스 지속 시간 tpulse 동안 또는 전력 펄스 시퀀스의 시퀀스 지속 시간 tpulsesequence 동안, 타겟 재료를 타격하여 뽑아내거나 기화시키는 양으로 대전된 Ar 이온에 의해 에너지가 타겟 표면으로 도입된다. HiPIMS 방법에서, 이온화 증착 재료의 양은 통상적인 스퍼터링 방법에서의 양보다 상당히 크다. HiPIMS 공정에서의 에너지 양은 적절하게 높은 펄스 전력 P 및/또는 적절하게 매우 긴 펄스 길이 또는 펄스 지속 시간 tpulse를 설정함으로써 매우 간단하게 달성될 수 있다.
표준 HiPIMS 공정 구성 및 코팅 파라미터는 종래 기술로부터 알려져 있다.
본 발명의 범위 내에서, 예를 들어 Krassnitzer에 의해 WO 2012143091 A1에 기술된 것과 같은 HiPIMS 방법이 특별히 사용되었다.
본 발명은 이하에서 실시예와 함께 도면 및 표를 사용하여 상세히 설명된다.
도 1은 종래 기술에 따라 DC 전압을 사용하여 증착된 TiCN 층(A, B 참조)과 실시예 1에 따라 바이폴라 바이어스 전압을 사용하여 증착된 샘플 증착된 TiCN 층(C, D, E 참조)의 특성의 개요를 비교하여 나타낸 표이다.
도 2는 상이한 바이어스 전압을 사용한 실시예 1에 따른 TiCN 층의 광학 현미경 사진이다.
도 3은 종래 기술에 따라 DC 전압 및 Ti 타겟만을 사용하여 증착된 TiCN 층(REF 참조)과 실시예 2에 따라 Ti 타겟 및 그래파이트 타겟을 사용하여 증착된 샘플 증착된 TiCN 층(A, B, C, D, E 참조)의 특성의 개요를 비교하여 나타낸 표이다.
도 4는 상이한 타겟 또는 반응성 가스 구성을 사용한 실시예 2에 따른 TiCN 층 표면의 광학 현미경 사진이다.
예 1 (바람직한 제1 실시예에 따른)
제1 실시예의 예로서 나타낸 모든 TiCN 층들은 언더 코팅으로서 얇은 TiN 층으로 생성되었다. 먼저, TiN 언더 코팅은 다음의 파라미터를 사용하여 피복될 표면 상에 증착되었다. 60 kW의 펄스 전력 Ppulse, 0.01 Pa의 N2 분압 및 0.4 Pa의 Ar 분압과 0.81 Pa의 전체 압력에서 25 ms의 tpulse 및 450 ℃의 코팅 온도에서 -80 V의 일정한 바이어스 전압으로 타겟에 대한 9.0 kW의 평균 전력 Pav.
다음에 TiCN 층들은 동일한 Ppulse, 동일한 Pav, 동일한 N2 분압 및 Ar 분압이지만 추가로 50 sccm의 일정한 CH4 유동 및 짧은 1 ms의 tpulse로 직후에 적용되었다.
도 1의 표에서의 비교예 A 및 B에 대해, TiN 언더 코팅의 증착 동안 및 TiCN 층의 증착 동안에 DC 바이어스 전압이 존재하였다.
도 1의 표 1에서의 본 발명의 실시예 C, D 및 E에 대해, 본 발명에 따른 바이어스 전압은 TiN 언더 코팅의 증착 후에 본 발명에 따른 TiCN 층의 증착을 위한 바이폴라 펄스 작동으로 변경되었다. 모든 층들은 약 4.0㎛의 층 두께를 가지며, 표 1의 층 특성의 요약에서 알 수 있는 바와 같이 특성화 되었다. 샘플 번호 A 및 B는 동일한 조건하에서 증착되었지만 -40 V의 일정한 DC 바이어스 전압으로 상이한 배치(batch)로 증착되었다. 샘플 번호 C, D 및 E는 각각 -50 V, -80 V 및 -100 V의 바이폴라 펄스 전압을 사용하여 증착되었다. 양의 바이어스 전압에 대한 음의 바이어스 전압의 듀티 사이클 tneg : tpos는 샘플 C, D 및 E에 대해 50 : 25 ms로 일정하게 유지되었다.
놀랍게도, 바이어스 전압이 유사하거나 더 높을 때 DC 바이어스 전압 대신에 본 발명에 따른 펄스 바이어스 전압을 사용함으로써 거칠기 지수 Ra, Rz 및 Rmax 에서의 현저한 감소가 확인되었다. 도 1은 샘플 B(일정한 -40 V DC)가 샘플 C, D 및 E와 비교되는 코팅 샘플 표면의 광학 현미경 사진을 보여준다. 검은 반점의 광학 표시부는 그렇지 않은 경우 입사광 하에서 매우 매끄러운 표면 구조를 방해하는 성장 결함에 의해 생성된다. 샘플 B와 비교하여 샘플 C 내지 E에서 검은 반점의 밀도가 낮아지는 것을 분명히 알 수 있는데, 이것은 측정된 거칠기 값과 잘 일치한다. 그러나, 흥미롭게도 지정된 측정 정확도 내에서 층의 측정 탄소 함량은 바이어스 전압을 적용하는 데 사용된 방법과 무관하며 10 + 2 at%(원자%)로 거의 일정하였다.
놀랍게도 DC 바이어스 전압을 사용하는 비교 샘플보다 펄스 바이어스 전압을 사용하는 TiCN 층에 대한 내부 응력 값이 상당히 낮게 측정되었다. 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, DC 바이어스 전압 -40 V를 사용할 때 나타나는 -4.4 Gpa의 내부 응력 레벨은 펄스 바이어스 전압이 -100 V가 될 때까지 도달되지 않았다.
또한, 펄스 바이어스 전압에서 경도의 적절한 증가가 나타났으며, 이는 응용을 위해 더욱 바람직한 것이다.
바람직하게는 -20 V 내지 -200 V 범위의 바이어스 전압이 사용된다.
바람직하게는, 양의 바이어스 전압에 대한 음의 바이어스 전압의 듀티 사이클 tneg : tpos는 10 : 1 내지 1 : 5, 바람직하게는 5 : 1 내지 1 : 2, 특히 바람직하게는 2 : 1 내지 1 : 1의 범위이다.
바이어스 전압 레벨은 대칭 또는 비대칭이 되도록 설정될 수 있다. 비대칭 작동의 경우, 이온 전류와 전자 전류를 서로 독립적으로 설정할 수 있다.
바람직하게는 탄소 함유 가스로서 아세틸렌(C2H4) 또는 메탄(CH4)이 사용된다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, TiCN 층을 증착할 때 금속 티타늄 타겟 대신에 Ti 및 TiC로 제조된 타겟 또는 세라믹 TiC 타겟이 사용될 수 있다.
예 2 (바람직한 제2 실시예에 따른)
제2 실시예의 예로서 나타낸 모든 TiCN 층들은 언더 코팅으로서 얇은 TiN 층으로 생성되었다. 먼저, TiN 언더 코팅은 다음의 파라미터를 사용하여 피복될 표면 상에 증착되었다. 60 kW의 펄스 전력 Ppulse, 0.01 Pa의 N2 분압 및 0.4 Pa의 Ar 분압과 0.81 Pa의 전체 압력에서 25 ms의 tpulse 및 450 ℃의 코팅 온도에서 -80 V의 일정한 바이어스 전압으로 타겟에 대한 9.0 kW의 평균 전력 Pav.
이러한 동안, 3개의 티타늄 타겟이 위에서 명시한 방식으로 작동되었다.
TiCN 층(도 3의 표에서 A, B, C, D, E)은 본 발명에 따라 그 직후 증착되었으며, 3개의 티타늄 타겟은 이전과 동일한 설정으로 작동되었지만 추가로 3개의 탄소 타켓이 추가되었다.
3개의 탄소 타겟은 60 kW의 Ppulse, -50 V의 일정한 바이어스 전압이지만 각각 0.05, 0.1, 0.2 및 0.3 ms의 상이한 tpulse 값을 가지며, 각각 0.4, 0.9, 1.8 및 2.8 kW의 결과적인 Pav으로 상이한 샘플 공정에서 증착을 위해 사용되었다. 관련 샘플은 A, B, C 및 D의 시퀀스로 나열되며 특징들이 도 3에 명시되어 있다.
기준 샘플(REF)로서, 전술한 바와 같이 동일한 TiN 언더 코팅을 또한 구비한 전형적으로 증착된 TiCN 층이 생성되었는데, 여기에서 그러나 TiCN 층을 위해 오직 티타늄 타겟만이 사용되었고, 0.40 Pa의 분압에서 공정 가스로서 Ar을 사용하였고, 0.01 Pa의 분압에서 제1 반응성 가스로서 N2를 사용하였고, 0.47 Pa의 전체 압력에 상응하는 50 sccm에서 제2 반응성 가스로서 추가적으로 CH4를 사용하였다. DC 바이어스 전압은 TiN 언더 코팅의 증착 및 TiCN 층의 증착을 위해 사용되었다. 기준 샘플에 대한 이들 설정은 도입부에서 언급한 종래 기술에 해당하며 층 특성 및 공정 안정성과 관련한 비교 목적으로 사용된다.
전술한 TiN 언더 코팅을 갖고 있지만 TiCN 층을 위한 2가지 유형의 타겟 및 공정 가스를 사용하는 공정이 추가의 비교 샘플 E에 대해 사용되었다. 이 경우에, 3개의 티타늄 타겟에 대한 파라미터는 전술한 바와 같이 일정하게 유지되었고, 3개의 탄소 타겟에 대한 설정은 샘플 C에 사용된 것과 유사했으며, 각각 Ppulse가 60kW, -50 V의 일정한 바이어스 전압, 0.2ms의 tpulse, 1.8kW의 결과적인 Pav, 0.4 Pa의 Ar 분압, 0.03 Pa의 N2 분압 및 10 sccm의 고정 CH4 유량이 증착에 사용되었다.
예로서 나타낸 모든 층은 약 4.0㎛의 층 두께를 가지며 도 1의 표 1에서 층 특성의 요약에서 알 수 있는 바와 같이 특성화 되었다.
도 4는 샘플 REF가 샘플 A, B, C 및 D와 비교되는 코팅 샘플 표면의 광학 현미경 사진을 보여준다. 검은 반점의 광학 표시부는 그렇지 않은 경우 입사광 하에서 매우 매끄러운 표면 구조를 방해하는 성장 결함에 의해 생성된다. 샘플 A 내지 D는 샘플 REF와 비교하여 검은 반점의 낮은 밀도를 나타내는데, 이것은 측정된 거칠기 값과 잘 일치한다. 탄소의 양은 타겟에서의 전력이 증가함에 따라 증가한다.
그러나, 흥미롭게도, 샘플 REF 및 C를 비교할 때 둘 다 대략 동일한 탄소 함량을 가지지만, 본 발명에 따라 실행된 증착을 갖는 샘플 C에 대해 상당히 높은 층 경도가 측정되었다는 것이 밝혀졌다. 이는 두 개의 타겟 재료, 즉 이 예에서 하나는 티타늄이고 다른 하나는 탄소인 두 개의 타겟 재료를 사용하는 것이 층 특성에 긍정적인 영향을 미치고, 또한 안정적인 공정을 허용한다는 것을 의미한다.
티타늄 및 탄소의 두가지 상이한 타겟 재료 및 반응성 가스로서 N2 및 CH4를 사용하는 비교 샘플 E는 상당히 더 높은 표면 거칠기를 나타내지만, 본 발명의 증착 공정을 사용하는 샘플 A, B, C 및 D의 탄소 함량 또는 거칠기의 선형 상관성과 비교되는 것은 샘플 E의 고탄소 함량과 관련될 수 있다.
본 발명의 범위 내에서, 탄소를 함유하는 화합물 재료로 만들어진 타겟을 사용함으로써 탄소 함유량의 미세 조정이 달성될 수 있게 하는 것을 생각할 수 있다. 이것은 예를 들어 하나 또는 복수의 금속 및 하나 또는 복수의 탄화물로 이루어진 화합물, 예를 들어 TiC 또는 Ti + TiC로 만들어진 타겟일 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 위해 Cr, Zr, Ta 또는 Nb와 같은 다른 금속을 사용하는 것도 마찬가지로 생각할 수 있다.
바람직하게는, -20 V 내지 -200 V 범위의 바이어스 전압, 10-4 mbar (0.02 Pa) 내지 10-2 mbar (2 Pa) 범위의 전체 압력, 0.1 kw/cm2 내지 3.0 kW/cm2 의 전력 밀도 및/또는 0.05 내지 10 kW 범위의 평균 전력 Pav가 사용된다. N2에 대한 Ar의 분압 비는 0.01 내지 0.95의 범위 내에서 변할 수 있다.
바람직하게는 탄소 함유 가스로서 아세틸렌(C2H4) 또는 메탄(CH4)이 사용된다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, TiCN 층을 증착할 때 금속 티타늄 타겟 대신에 Ti 및 TiC로 제조된 타겟 또는 세라믹 TiC 타겟이 사용될 수 있다.
구체적으로, 본 발명은 적어도 하나의 TiCN 층을 갖는 코팅을 HiPIMS에 의해 코팅될 기판의 표면에 적용하는 방법을 개시하는데, 상기 적어도 하나의 TiCN 층을 증착하기 위해, Ti를 함유하는 적어도 하나의 타겟이 TiCN 층을 생성하기 위한 Ti 공급원으로 사용되고, 상기 타겟은 코팅 챔버 내에서 HiPIMS 공정에 의해 반응성 분위기에서 스퍼터링되고, 상기 적어도 하나의 TiCN 층의 증착 동안에 성장 결함을 감소시키기 위해, 상기 반응성 분위기는 하나의 불활성 가스, 바람직하게는 아르곤, 및 반응성 가스로서 적어도 질소 가스를 포함하며, 하나 이상의 TiCN 층의 증착 동안에 성장 결함을 감소시키기 위하여,
- 반응성 분위기는 제2 반응성 가스로서 TiCN 층을 생성시키는 탄소의 공급원으로 사용되는 탄소 함유 가스를 추가로 함유하며, 상기 TiCN 층을 증착하는 동안 코팅될 기판에 바이폴라 바이어스 전압이 인가되고, 또는
- 탄소를 함유하는 적어도 하나의 타겟이 TiCN 층을 생성하기 위한 탄소의 공급원으로서 사용되며, 상기 타겟은 반응성 가스로서 질소 가스만을 가진 반응성 분위기와 함께 HiPIMS 공정을 사용하여 코팅 챔버에서 스퍼터링 하기 위해 사용된다.
바람직하게는, 탄소 함유 가스가 탄소의 공급원으로 사용되는 경우, 탄소 함유 가스는 CH4를 포함하거나 CH4로 만들어지거나, 또는 C2H4를 포함하거나 C2H4로 만들어지도록 상기 방법이 실행될 수 있다.
바람직하게는, 탄소를 함유하는 하나의 타겟이 탄소 공급원으로서 사용되는 경우, Ti를 함유하는 하나 또는 복수의 타겟이 제1 전력 공급 장치 또는 제1 전력 공급 유닛에 의해 작동되고 탄소를 함유하는 하나 또는 복수의 타겟이 제2 전력 공급 장치 또는 제2 전력 공급 유닛에 의한 펄스 전력으로 작동된다.
전술한 방법들 중 하나의 바람직한 형태에 따라, Ti를 함유하는 하나 또는 복수의 타겟은 Ti로 만들어진 금속 타겟이다.
전술한 방법들 중 다른 바람직한 형태에 따라, Ti를 함유하는 하나 또는 복수의 타겟은 TiC로 만들어진 세라믹 타겟이다.
탄소를 함유하는 적어도 하나의 타겟이 사용되는 전술한 방법의 다른 바람직한 형태에 따라, 탄소를 함유하는 하나 또는 다수의 타겟은 그래파이트로 만들어진다.
탄소를 함유하는 적어도 하나의 타겟이 사용되는 전술한 방법의 다른 바람직한 형태에 따라, 탄소를 함유하는 하나 또는 복수의 타겟은 화합물 재료로 만들어지고, 상기 화합물 재료는 예를 들어 하나의 금속 또는 복수의 금속과 하나의 탄화물 또는 복수의 탄화물을 포함한다.

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 TiCN 층을 갖는 코팅을 HiPIMS에 의해 코팅될 기판의 표면에 적용하는 방법으로서,
    상기 적어도 하나의 TiCN 층을 증착하기 위해, Ti를 함유하는 적어도 하나의 타겟이 TiCN 층을 생성하기 위한 Ti 공급원으로 사용되고, 상기 타겟은 코팅 챔버 내에서 HiPIMS 공정에 의해 반응성 분위기에서 스퍼터링되고, 상기 반응성 분위기는 하나의 불활성 가스 및 반응성 가스로서 적어도 질소 가스를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 TiCN 층의 증착 동안에 성장 결함을 감소시키기 위하여,
    - 반응성 분위기는 제2 반응성 가스로서 TiCN 층을 생성시키는 탄소의 공급원으로 사용되는 탄소 함유 가스를 추가로 함유하며, 상기 TiCN 층을 증착하는 동안 코팅될 기판에 바이폴라 바이어스 전압이 인가되고, -20 V 내지 -200 V 범위의 바이어스 전압이 사용되고, 바이어스 전압 레벨은 대칭 또는 비대칭이 되도록 설정되고, 양의 바이어스 전압에 대한 음의 바이어스 전압의 듀티 사이클 tneg : tpos는 10 : 1 내지 1 : 5의 범위이고, 또는
    - 탄소를 함유하는 적어도 하나의 타겟이 TiCN 층을 생성하기 위한 탄소의 공급원으로서 사용되며, 상기 타겟은 반응성 가스로서 질소 가스만을 가진 반응성 분위기와 함께 HiPIMS 공정을 사용하여 코팅 챔버에서 스퍼터링 하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    탄소 함유 가스가 탄소의 공급원으로 사용되며, 상기 탄소 함유 가스는 CH4를 포함하거나 CH4로 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. ◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제1항에 있어서,
    탄소 함유 가스가 탄소의 공급원으로 사용되며, 상기 탄소 함유 가스는 C2H4를 포함하거나 C2H4로 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    탄소를 함유하는 적어도 하나의 타겟이 탄소 공급원으로 사용되고,
    Ti를 함유하는 하나 또는 복수의 타겟이 제1 전력 공급 장치 또는 제1 전력 공급 유닛에 의해 작동되고, 또는 탄소를 함유하는 하나 또는 복수의 타겟이 제2 전력 공급 장치 또는 제2 전력 공급 유닛에 의한 펄스 전력으로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    Ti를 함유하는 적어도 하나의 타겟은 Ti로 구성된 금속 타겟인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    Ti를 함유하는 적어도 하나의 타겟은 TiC로 구성된 세라믹 타켓인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    탄소를 함유하는 적어도 하나의 타겟은 그래파이트로 만들어진 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    탄소를 함유하는 적어도 하나의 타겟은 복합 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    복합 재료로 만들어진 타겟은 적어도 하나의 금속과 하나의 탄화물로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    불활성 가스는 아르곤인 것을 특징으로 하는 방법.
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