KR19980021727A

KR19980021727A - 스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착 방법

Info

Publication number: KR19980021727A
Application number: KR1019960040674A
Authority: KR
Inventors: 고희권
Original assignee: 김광호; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1996-09-18
Filing date: 1996-09-18
Publication date: 1998-06-25
Also published as: KR100248026B1

Abstract

본 발명은 N2(질소)를 혼입하는 리액티브 스퍼터링법으로 Al 재질 위에 내마모성이 우수한 티타늄 나이트라이드(TiN; titanium nitride)를 증착하는 스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착 방법에 관한 것으로, Ti 타겟 및 기판이 설치된 진공 챔버 내에서 수행되는 스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착법에 있어서, 상기 진공 챔버 내에 Ar 개스 및 N2 개스를 혼입하는 단계; 및 상기 Ar 및 N2 개스를 리액티브 플라즈마 상태로 만들어 상기 기판 상에 TiN 박막을 증착시키는 단계;를 포함한다. 이 방법은 화학적 물리적으로 안정하여 내마모성이 우수한 TiN 박막을 증착할 수 있으며, 하부 접착층(Ti)을 입힘으로써 접착력이 충분히 우수하다. 또한, 증착 온도가 200℃ 이내 이므로 증착하고자 하는 기판의 재질을 다양하게 응용하여 사용할 수가 있으며, 2차원 평면 구조물이 아니더라도 간단한 지그를 제작하여 3차원 입체물에 대해서도 박막의 두께를 균일하게 증착할 수 있는 장점이 있다.

Description

스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착 방법

본 발명은 내마모성이 우수한 티타늄 나이트라이드(TiN; titanium nitride) 증착 방법에 관한 것으로, 특히, N2(질소)를 혼입하는 리액티브 스퍼터링법으로 Al 재질 위에 티타늄 나이트라이드를 증착하는 스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착 방법에 관한 것이다.

티타늄 나이트라이드(TiN) 박막은 높은 경도와 내마모성이 우수하여 절삭 공구, 내마모성 부품 등에의 적용이 기대되고 있는 기능성 박막이다. 이러한 TiN 은 1|Lm 미만의 박막에 대한 연구 및 응용이 이루어지고 있을 뿐 만 아니라, 약 4~5|Lm 정도의 후막 증착도 가능하므로 그 활용 범위가 다양하다.

또한 TiN 박막은, 특히 가공성과 표면 처리 공정이 상대적으로 간편한 반면에, 우수한 Al재질 상에 증착할 경우에는 Al 재질의 낮은 용융점 온도 때문에 저온에서의 증착 공정이 필요하다.

TiN 막 증착법으로 현재 음극 아크 플라즈마 증착(CAPD; cathode arc plasma deposition)법이나 HCD(hollow cathode deposition)법 등이 널리 애용되고 있으며, DC 마그네트론 방식과 바이어스 전압을 하나의 변수로 한 RF 방식 등의 스퍼터링을 이용한 증착법이 있다.

위와 같은 증착법 중에서 CAPD법과 같은 방식은 높은 에너지에 의한 증착 공정으로 이온화율이 높아 증착 속도가 빠르며 기판과의 밀착성이 우수하다. 이 CAPD법은 증착 공정 중 작업 온도가 약550℃로 고온인 화학 기상 증착법(CVD) 보다는 비교적 저온 공정이다.

HCD 방식은 역시 증착 속도가 빠른 방식이나 처리 온도가 높고 후막 공정이 불가능한 것으로 보고 있다. 이 방식은 VCR용 헤더 드럼에 TiN 코팅막을 입히는데 현재 응용되고 있다.

또한, 스퍼터링법은 상대적으로 이온화율이 낮아 증착 속도가 느리며, 입체 구조물 증착이 다소 불편하지만 증착막 자체는 우수하며 치밀한 막을 얻는게 가능하다.

그러나, 앞서 설명한 종래의 CAPD 방식에서는 droplet(Ti 덩어리) 등이 문제가 된다. 이 것의 크기는 수십 |Lm에 이르러 증착 피막에 큰 결함을 준다. 또한, HCD 방식과 같은 경우는 증착 온도가 500℃ 이상으로 너무 높기 때문에 Al과 같은 재질에 3|Lm 이상의 후막을 증착하는데는 다소 어려움이 따른다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 절삭 공구, 내마모 부품, 베어링 등의 초경 피막으로 활용하도록 내마모성과 경도 등이 우수한 TiN 코팅막을 N2 리액티브 스퍼터링 방식으로 비교적 낮은 증착 온도(200℃ 미만)에서 Al 재질 위에 제작할 수 있는 스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착 장치의 개략적 단면도이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1. 음극 2. 기판

3. 기판 홀더 히터 4. Ar 가스 주입 MFC

5. N2 가스 주입구 6. 펌프

7. 챔버 8. Ti 타겟

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 스悸링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착 방법은, Ti 타겟 및 기판이 설치된 진공 챔버 내에서 수행되는 스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착법에 있어서, 상기 진공 챔버 내에 Ar 개스 및 N2 개스를 혼입하는 단계; 및 상기 Ar 및 N2 개스를 리액티브 플라즈마 상태로 만들어 상기 기판 상에 TiN 박막을 증착시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 기판은 Al로 형성된 것이 바람직하며, 상기 Ar 및 N2 개스를 혼입하는 단계 이전에 상기 기판을 트리콜로에틸렌(tricholoethylene), 아세톤(aceton) 및 에틸 알콜(Ethyl Alcohol)로 5분간 2회씩 순차로 세척하여 건조시키는 단계;를 더 포함하며, 상기 세척하는 단계 및 상기 Ar 및 N2 개스를 혼입하는 단계 사이에 상기 챔버 내의 진공도를 2x10-6mbar 이하로 떨어뜨리고, 상기 기판의 온도를 140~150의 범위에서 세팅하는 단계; 상기 진공도가 얻어지면 상기 Ti 타겟 표면의 산화막을 제거하기 위하여 30분간 예비 스퍼터링을 행하는 단계; 상기 Al 기판 표면의 산화막을 제거하기 위하여 이온 밀링 건(ion milling gun)으로 건식 에칭 클리닝(dry etching cleaning)을 수행하는 단계; 및 상기 기판 상에 Ti 박막을 약 0.5~1|Lm 가량 증착하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 TiN 박막을 증착시키는 단계에서 챔버 내의 증착 조건은 입력 파워를 750W 로 하고, Ar과 N2의 혼입 비율을 SCCM 비율로 4~6% 범위로 하고, 상기 기판 온도를 140~160로 하며, 상기 기판과 타겟 간의 거리를 90mm로 하여, RF 마그네트론 방식으로 증착하며, 상기 TiN 박막의 두께 조절은 사전에 증착율을 파악하여 증착 시간으로 제어하는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착법을 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착 장치의 개략적 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착 장치는, 진공용 펌프(6) 및 Ar 가스 주입 장치가 마련되어 있고, 타겟(8)이 장착되는 음극(1) 및 TiN 박막이 증착될 기판(2')을 지지하는 홀더(2)가 내부에 마련된 일반적인 스퍼터링용 진공 챔버(7)에 N2 가스 주입 장치(5)를 더 구비한다.

이와 같은 스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착 장치를 사용하여 티타늄 나이트라이드를 증착하는 방법은 다음과 같다.

증착 장치는 RF 파워를 이용하며, 마그네트론 방식으로 반응성 스퍼터링이 가능한 구조이면 된다. 기판(2')쪽 바이어스 전압을 인가해 주지 않아도 되며, dt/s(기판과 타겟 간의 거리)를 조절할 수 있고, 온도는 최대 200까지만 올릴 수 있는데 특징이 있음에 주목할 필요가 있다.

먼저, 증착하고자 하는 Al 재질의 기판(2'; Ti 재질도 가능함)을 TCE(tricholoethylene), 아세톤(aceton), 에틸 알콜(Ethyl Alcohol)로 약 5분간 2회씩 순서대로 세척하고 건조한다.

다음에, 상기 Al 기판(2')을 진공 스퍼터링 챔버(7) 내의 기판 홀더(2)에 장착하고, 진공 펌프(6)을 이용하여 챔버(7) 내의 진공도를 약 2x10-6mbar 수준 까지 떨어뜨리며, 기판 온도는 홀더 히터(3)를 이용하여 약 140~150의 범위에서 세팅한다.

다음에, 진공 펌프(6)가 펌핑을 정지하면 Ti 타겟(8) 표면의 산화막을 제거하기 위하여 약 30분간 예비 스퍼터링을 행한다.

다음에, TiN 박막을 증착하기 전에 Al 기판(2') 표면의 산화막을 제거하기 위하여 이온 밀링 건(ion milling gun)으로 건식 에칭 클리닝(dry etching cleaning)을 한다.

다음에, 기판(2')과 후에 증착될 TiN 박막과의 밀착성을 향상시키기 위해 하부 접착층으로서 순수 Ti 박막을 약 0.5~1|Lm 가량 증착한다.

다음에, 스퍼터링 증착은 사전에 Ar 가스와 N2 가스를 챔버 내로 혼입하고 충분히 혼합이 될 때 까지 기다린 후 수분간의 예비 스퍼터링을 거쳐 증착을 시작한다. 이 때, 챔버 내의 증착 조건은 기판 온도는 140~160범위로 하고, 입력 파워는 700~750W로, dt/s는 약 90mm로, Ar과 N2의 sccm비는 약4~6% 범위로 한다. 증착 박막의 두께 조절은 사전에 증착율을 파악하여 증착 시간으로 제어한다. 즉, 증착 시간 조절은 원하는 두께 만큼의 시간을 이용하여 한 번에 증착을 완료할 수도 있고, 3단계 혹은 4단계로 나누어서 중간에 휴식 기간을 두고 증착을 행하는 방법도 있다.

다음에, TiN 박막의 증착이 완료되면 기판의 온도가 하강하여 실내 온도가 될 때 까지 기다렸다가 N2 가스로 챔버를 통풍하여 시편을 꺼내면 된다.

이상과 같은 방법으로 제조된 TiN 박막은 화학적 물리적으로 안정하며 색상도 기존 방식에 의해 제조된 것과 유사한 밝은 황금색을 띄게 되므로 특성에 아무런 문제가 없다. 또한 기판과의 밀착력은 하부 접착층(Ti)을 입힘으로써 충분히 우수하다고 할 수 있다.

또한, 본 발명의 TiN 박막 증착 방법은 증착 온도가 200이내 이므로 증착하고자 하는 기판의 재질을 다양하게 응용하여 사용할 수가 있으며, 2차원 평면 구조물이 아니더라도 간단한 지그를 제작하여 3차원 입체물에 대해서도 박막의 두께를 균일하게 증착할 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 의하면 화학적 물리적으로 안정되어 높은 경도와 내마모 특성을 갖는 동시에 기판과의 밀착력이 아주 우수한 TiN 박막을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 TiN 박막 증착 방법은 증착 온도가 200이내 이므로, Al과 같이 증착하고자 하는 기판 재질의 용융점이 낮더라도 기판으로 사용할 수 있어서, 기판의 재질을 다양하게 선택하여 사용할 수가 있으며, 2차원 평면 구조물이 아니더라도 간단한 지그를 제작하여 3차원 입체물에 대해서도 박막의 두께를 균일하게 증착할 수 있는 장점이 있다.

Claims

Ti 타겟 및 기판이 설치된 진공 챔버 내에서 수행되는 스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착법에 있어서,

상기 진공 챔버 내에 Ar 개스 및 N2 개스를 혼입하는 단계; 및

상기 Ar 및 N2 개스를 리액티브 플라즈마 상태로 만들어 상기 기판 상에 TiN 박막을 증착시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착법.
제1항에 있어서,

상기 기판은 Al로 형성된 것을 특징으로 하는 스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착법.
제2항에 있어서,

상기 Ar 및 N2 개스를 혼입하는 단계 이전에 상기 기판을 트리콜로에틸렌(tricholoethylene), 아세톤(aceton) 및 에틸 알콜(Ethyl Alcohol)로 5분간 2회씩 순차로 세척하여 건조시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착법.
제3항에 있어서,

상기 세척하는 단계 및 상기 Ar 및 N2 개스를 혼입하는 단계 사이에 상기 챔버 내의 진공도를 2x10-6mbar 이하로 떨어뜨리고, 상기 기판의 온도를 140~150의 범위에서 세팅하는 단계;

상기 진공도가 얻어지면 상기 Ti 타겟 표면의 산화막을 제거하기 위하여 30분간 예비 스퍼터링을 행하는 단계;

상기 Al 기판 표면의 산화막을 제거하기 위하여 이온 밀링 건(ion milling gun)으로 건식 에칭 클리닝(dry etching cleaning)을 수행하는 단계; 및

상기 기판 상에 Ti 박막을 약 0.5~1|Lm 가량 증착하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착법.
제1항에 있어서,

상기 TiN 박막을 증착시키는 단계에서 챔버 내의 증착 조건은 입력 파워를 750W 로 하고, Ar과 N2의 혼입 비율을 SCCM 비율로 4~6% 범위로 하고, 상기 기판 온도를 140~160로 하며, 상기 기판과 타겟 간의 거리를 90mm로 하여, RF 마그네트론 방식으로 증착하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착법.
제2항에 있어서,

상기 TiN 박막을 상기 Al 기판 상에 두께 약 4~5|Lm로 증착하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착법.
제6항에 있어서,

상기 TiN 박막의 두께 조절은 사전에 증착율을 파악하여 증착 시간으로 제어하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착 방법.
제1항에 있어서,

상기 TiN 박막의 증착이 완료되면 상기 기판의 온도가 하강하여 실내 온도가 될 때 까지 기다렸다가 N2 가스로 챔버를 통풍하여 시편을 꺼내는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링법을 이용한 티타늄 나이트라이드 증착 방법.