KR19990024031A - 캐소우드 아크 증착장치 - Google Patents

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KR19990024031A
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레비스 스테픈 이
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Abstract

본 발명에 따르면, 캐소우드 아크 증착에 의해 기판에 재료를 도포하는 장치가 제공되며, 이 장치는 용기와, 용기내에 진공을 유지하기 위한 장치와, 보어 및 제 1 단부 표면과 제 2 단부 표면 사이로 연장하는 증발 표면을 구비한 환상의 캐소우드와, 캐소우드와 애노우드 사이에 전기 에너지의 아크를 선택적으로 지속시키기 위한 장치와, 증발 표면 주위에서 아크를 드라이브하기 위한 장치를 포함한다. 아크를 드라이브하기 위한 장치는 캐소우드 보어내에 위치되며, 증기 표면에 실질적으로 평행하게 이동하는 자계를 발생한다. 환상의 캐소우드는 용기 내부의 기판의 반경방향 내부에 위치되며, 기판과 정렬된다.

Description

캐소우드 아크 증착장치
본 발명은 일반적으로 피막(coating)을 증착하기 위한 장치에 관한 것으로, 특히 캐소우드 아크 증착장치(cathodic arc vapor deposition apparatus)에 관한 것이다.
기판에 피막을 도포하기 위한 수단으로서 증착은 당해 기술에서 공지되어 있는데, 이러한 기술에는 화학적 증착, 물리적 증착 및 캐소우드 아크 증착과 같은 방법이 포함된다. 화학적 증착은 하나 또는 그 이상의 피복될 기판을 수용한 피복 체임버(deposition chamber)내에 반응성 가스 성분을 도입하는 것을 포함한다. 물리적 증착은 소스 재료(source material) 및 피복될 기판을 진공 피복 체임버내에 제공하는 것을 포함한다. 소스 재료는 저항성, 유도성 또는 전자 비임 수단에 의한 가열과 같은 에너지의 입력에 의해서 증기로 전환된다.
캐소우드 아크 증착은 소스 재료 및 피복될 기판을 진공 피복 체임버내에 배치하는 것을 포함한다. 체임버는 비교적 소량의 가스만을 포함한다. 직류(DC) 전력 공급원의 음극 도선은 소스 재료(이하 캐소우드라 칭함)에 부착되고, 양극 도선은 애노우드 부재에 부착된다. 많은 경우에, 양극 도선은 피복 체임버에 부착되어 체임버를 애노우드로 만든다. 아크 개시 트리거(trigger)는 애노우드와 동일한 전위에서 또는 그 근처에서 캐소우드와 접촉하고, 그후에 캐소우드로부터 멀리 이동한다. 트리거가 캐소우드에 인접하여 있을 때, 트리거와 캐소우드간의 전위차는 전기의 아크가 그들 사이에 연장되게 유발한다. 트리거가 더욱 멀리 이동할 때, 아크는 캐소우드와 애노우드의 체임버 사이를 점핑한다. 아크가 캐소우드의 표면과 접촉하는 정확한 지점 또는 지점들은 캐소우드 스폿(spot)으로서 칭해진다. 조정기구가 없는 경우, 캐소우드 스폿은 캐소우드의 표면 주위에서 임의로 이동할 것이다.
아크에 의해 캐소우드 스폿에 제공된 에너지는 수 마이크로초의 기간에 105내지 107amp./cm2의 정도로 강력하다. 에너지의 강도(intensity)는 캐소우드 스폿의 국부적인 온도를 상승시켜 (진공 체임버의 압력에서) 캐소우드 재료의 비등점의 온도와 대략 동일하게 한다. 그 결과, 캐소우드 스폿에서의 캐소우드 재료는 원자, 분자, 이온, 전자 및 입자를 함유한 플라즈마로 증발한다. 캐소우드로부터 유리된 양전하 이온은 그 양전하 이온에 대해 음전위를 갖는 피복 체임버내에서 임의의 목표물을 향해 끌어당겨진다. 약간의 피복 방법은 피복될 기판을 애노우드와 동일한 전위로 유지한다. 다른 방법은 기판의 전위를 낮추기 위해 바이어싱 소스를 사용하여, 기판이 양전하 이온에 대해 상대적으로 보다 끌려지게 하다. 양자의 경우에 있어서, 기판은 캐소우드로부터 유리된 증발 재료로 피복된다. 피복률, 피막 밀도 및 두께는 응용의 요구조건을 충족시키도록 조정될 수 있다.
아크의 임의 이동은 종종 캐소우드의 불균일한 부식을 유발할 수 있으며, 이것은 캐소우드의 유효 수명을 제한할 수 있다. 불균일한 부식을 회피하기 위해서, 캐소우드에 대해 아크를 조정하는 것은 공지되어 있다. 미국 특허 제 4,673,477 호, 제 4,849,088 호 및 제 5,037,522 호에는 캐소우드에 대해 아크를 조정하는 장치가 개시되어 있다. 몇몇 종래기술은 캐소우드에 대해 자계 소스를 기계적으로 조절하는 것에 의해서 아크를 조정한다. 다른 종래기술은 캐소우드에 자계 소스를 전기적으로 조절하는 것에 의해 아크를 조정한다. 양자의 이들 접근법에 있어서, 캐소우드에 대한 아크의 속도는 자계 소스를 기계적으로 또는 전기적으로 조절하는 장치의 속도에 의해서 제한된다. 이들 접근법의 다른 제한사항은 캐소우드에 대해 자계 소스를 조정하는데 필요한 하드웨어 및 스위칭 기구의 복잡성에 있다. 당업자는 제조 피복 환경이 가혹하고 그리고 단순성은 일반적으로 신뢰성과 동일시 된다는 것을 인식할 것이다.
많은 종래기술의 캐소우드 아크 피복기는 효율적이고 비용 효과적인 큰 체적에 사용하도록 설계되지 않았다. 자계 소스를 조절하는데 복잡한 스위칭 기구 및 하드웨어가 사용되는 상술한 실시예에 있어서, 캐소우드를 교체하는 것은 성가시며, 시간을 소비하여 그에 따라 비용이 상승된다. 동일한 비용 문제점은 캐소우드를 직접 냉각시키는 대부분의 캐소우드 아크 피복기에도 존재한다. 일반적으로, 캐소우드와 이 캐소우드에 부착된 매니폴드 사이로 냉각제를 통과시키거나 또는 캐소우드를 통해 냉각제를 직접 통과시킴으로써 성취된다. 양 방법에서, 캐소우드는 매니폴드 또는 파이프를 수납하도록 가공되어야 하며, 그 결과 복잡한 캐소우드의 비용이 증가된다(종종 상당히 많이 증가한다). 또한, 몇몇 바람직한 캐소우드 재료는 쉽게 가공할 수 없다. 캐소우드를 직접적으로 냉각하는 경우의 다른 문제점은 캐소우드의 유효수명이 끝날 때 캐소우드를 교체하는데 노동력이 요구된다는 것이다. 매니폴드(또는 파이프)가 캐소우드에 기계적으로 부착되는 전술한 예에 있어서, 매니폴드(또는 파이프)는 소모된 캐소우드로부터 분리해 내고 그리고 새로운 캐소우드에 부착해야 되며, 또한 그후 피복 체임버는 냉각제를 세정해야 한다. 각각의 피복 실행 후에 캐소우드의 교체를 필요로 하는 이들 응용의 경우에, 노동 비용 및 시간 절약을 고려할 수 있다.
간단히 말하면, 효율적으로 작동하고 기판상에 재료를 캐소우드 아크 증착하기 위한 장치가 필요한데, 기판상에 고품질의 피복을 일관성있게 제공하고, 효과적인 비용으로 작동할 수 있는 장치가 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 기판상에 재료를 캐소우드 아크 증착하기 위한 것으로 효과적인 비용으로 작동하는 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 기판상에 재료를 캐소우드 아크 증착하기 위한 것으로, 기판상에 균일한 고품질의 피막을 일관성있게 형성하는 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따르면, 캐소우드 아크 증착에 의해 기판에 재료를 도포하는 장치가 제공되며, 이 장치는 용기와, 용기내에 진공을 유지하기 위한 장치와, 보어 및 제 1 단부 표면과 제 2 단부 표면 사이로 연장하는 증발 표면을 구비한 환상의 캐소우드와, 캐소우드와 애노우드 사이에 전기 에너지의 아크를 선택적으로 지속시키기 위한 장치와, 증발 표면 주위에서 아크를 드라이브하기 위한 장치를 포함한다. 아크를 드라이브하기 위한 장치는 캐소우드 보어내에 위치되며, 증기 표면에 실질적으로 평행하게 이동하는 자계를 발생한다. 환상의 캐소우드는 용기 내부의 기판의 반경방향 내부에 위치되며, 기판과 정렬된다.
본 발명의 장점은 기판상에 재료를 캐소우드 아크 증착하기 위한 본 발명의 장치가 효과적인 비용으로 작동하도록 설계되어 있다는 점이다. 본 발명의 한 효과적인 비용 특징은 캐소우드에 있다. 본 발명의 캐소우드는 바람직하게는 디스크 형상이며, 예를 들어 원통형 주물(casting)로부터 절단되어 드릴될 수 있다. 단순하게 형성된 캐소우드는 최소 비용의 기계가공을 요하며, 그에 따라 캐소우드의 비용 및 전체의 피복 공정을 감소시킬 수 있다. 다른 효과적인 비용 특징은 캐소우드가 용기내에 반경방향으로 삽입된다는 것이다. 몇몇 종래기술의 캐소우드 아크 피복기는 피복 체임버로 제 위치에 체결되는 캐소우드를 구비하며 및/또는 부착된 냉각 장치를 구비한다. 양자의 경우에 있어서, 캐소우드를 설치하고 제거하는데 노동이 필요하여 피복 공정의 비용을 증가시켜 바람직하지 못하다. 본 발명의 다른 효과적인 비용 특징은 이용된 캐소우드의 형태가 재생이 용이하다는 것이다. 사용된 캐소우드는 만일 약간의 오염물질이 존재한다면 이 오염물질에 노출된 고품질 재료로 제조된다. 그 결과, 캐소우드는 상당한 스크랩 수치를 가져서 피복 공정의 비용을 감소시킨다.
본 발명의 다른 장점은 자계 소스와, 이 자계 소스를 캐소우드내에 위치시키는 것은 피복 공정의 효율을 증가시키는데 도움을 주어 특정 캐소우드로부터 부식될 수 있는 재료의 양을 최대화시킨다.
본 발명의 다른 장점은 캐소우드의 주위에서 아크를 조정하는 수단의 단순성 및 신뢰성에 있다. 아크를 조정하는 수단은 스위칭 기구가 필요하지 않은 자계 발생기를 포함한다. 스위칭 기구의 부존재로 인해 조정 수단의 신뢰성을 향상시킨다.
본 발명의 상기 및 기타 목적과 특징 및 장점은 첨부된 도면에 도시된 바와 같은 최선 실시예의 상세한 설명에 비추어 명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 캐소우드 아크 증착장치의 개략도,
도 2는 접촉자의 일 실시예의 부분 단면도,
도 3은 도 2에 도시된 접촉자의 부분 단면도로서 상기 자계 발생기로부터 나오는 자계 라인을 도시하는 도면,
도 4는 접촉자의 다른 실시예의 부분 단면도,
도 5는 자계 발생기의 평면도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
12 : 기판 14 : 용기
20 : 접촉자 22 : 작동기
26 : 애노우드 38 : 플래터
60 : 냉각 튜브 94 : 자석
110 : 편향기 차폐체 112 : 전력 공급원
118 : 아크 개시기 128 : 아크 경로
장치
도 1을 참조하면, 기판(12)상에 캐소우드 아크 증착하기 위한 장치(이하 캐소우드 아크 피복기로 칭함)(10)가 제공되어 있는데, 이 장치는 용기(14), 용기(14)내에 진공을 유지하기 위한 수단(16), 캐소우드(18), 접촉자(20), 접촉자(20)를 선택적으로 작동시켜 캐소우드(18)와 전기적으로 접촉시키는 작동기(22)와, 캐소우드(18)와 애노우드(26) 사이에 전기 에너지의 아크를 지속시키기 위한 수단(24)을 구비한다. 냉각제 공급원(28)은 용기(14) 및 접촉자(20)내의 냉각 통로(30, 32)를 통해 냉각제를 순환시키는 것에 의하여 장치(10)를 허용가능한 온도내로 유지한다. 바람직하게, 용기(14)내에 진공을 유지하기 위한 수단(16)은 용기(14)의 내부에 파이프 접속된 기계적인 러프 진공 펌프(rough vacuum pump)(34)와 고용적 확산형 진공 펌프(36)를 포함한다. 그러나, 변형예로서 다른 진공 수단도 사용될 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 캐소우드(18)는 플래터(38)상에 위치되어 용기(14)로부터 쉽게 삽입되고 제거될 수 있다. 캐소우드(18)는 플래터(38)의 중앙에 장착되며, 플래터(38)로부터 전기적으로 절연된다. 플래터(38)에 부착된 다수의 피봇식으로 부착된 기판 다리(39)는 캐소우드(18)를 둘러싼다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 캐소우드(18)는 환상이며, 제 1 단부 표면(40)과, 제 2 단부 표면(42)과, 제 1 단부 표면(40)과 제 2 단부 표면(42)사이로 연장하는 증발 표면(44) 및 보어(46)를 구비한다. 단부 표면(40, 42)은 서로에 대해 실질적으로 평행하다. 캐소우드(18)의 축방향 중간점상에 또는 중간점에 실질적으로 인접하여 위치된 캐소우드(18)의 중심선(43)으로부터 반경방향 외측으로 연장하는 라인(41)은 캐소우드(18)의 축방향 중간점을 나타낸다. 캐소우드(18)의 재료 조성물은 피복될 재료에 따라 의존한다. 캐소우드(18)의 축방향 길이(48)는 캐소우드(18)의 증발 표면(44)을 따라 부식 패턴(52)의 예상된 최종 축방향 길이(50) 보다 긴 것이 바람직하다. 부식 패턴(52)을 단부 표면(40, 42) 사이에 유지하면, 아크가 캐소우드(18)의 증발 표면(44)을 떠나게 될 가능성을 최소화 할 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 접촉자(20)는 중공 샤프트(56)에 부착된 헤드(54)를 포함한다. 헤드는 용기(14)의 내부에 배치되고, 샤프트(56)는 헤드(54)로부터 용기(14)의 외부로 연장된다. 절연성 디스크(58)는 접촉자(20)를 용기(14)로부터 전기적으로 절연한다. 바람직하게, 접촉자(20)는 샤프트(56)내에 동축으로 배치된 냉각 튜브(60)와, 냉각 튜브(60)에 접속된 냉각제 입구 포트(62)와, 동축의 냉각 튜브(60)와 샤프트(56) 사이에 형성된 통로(32)에 접속된 냉각제 출구 포트(64)를 더 구비한다. 냉각 튜브(60)와 샤프트(56)간의 동축 배열은 냉각제가 냉각 튜브(60)로 유동하고 그리고 샤프트(56)와 냉각 튜브(60) 사이의 통로(32)를 통해 빠져나가는 것을 가능하게 하며, 또는 그 역으로도 가능하게 한다. 접촉자(20)를 선택적으로 작동시켜 캐소우드(18)와 전기적으로 접촉시키는 작동기(22)는 용기와 작동기 샤프트에 부착된 샤프트 플랜지 사이에서 작동하는 한쌍의 2방향 작동 실린더(66)(유압 또는 공압)를 포함한다. 기계적 장치(도시하지 않음)가 작동 실린더(66) 대신에 사용될 수도 있다. 상업적으로 유용한 제어기(도시하지 않음)가 실린더(66)(또는 기계적 장치)의 위치 및 힘을 제어하는데 사용될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 제 1 실시예에서 접촉자 헤드(54)는 테이퍼진 단부(70)를 포함한다. 테이퍼진 단부(70)는 자계 발생기(70) 및 캐소우드(18) 양자를 지지하는 지지 블럭(72)에 의해 선택적으로 수납된다. 작동기(22)는 접촉자 헤드(54)를 선택적으로 작동시켜 지지 블럭(72)과 접촉되게 그리고 분리되게 한다. 자계 발생기(74)는 캐소우드(18)의 보어(46)내에 위치되며, 캐소우드(18)의 축방향 중간점(41)과 실질적으로 정렬된다. 지지 블럭(72)은 접촉자(20)를 캐소우드(18)에 전기적으로 접속한다. 지지 블럭(72)에 대향된 캐소우드(18)의 측면에 위치된 전기 절연기(76) 및 편향기 차폐체(78)는 캐소우드 단부 표면(40)에서 오염물 및 부스러기를 분리시키는데 도움을 준다.
도 4를 참조하면, 제 2 실시예에 있어서 접촉자 헤드(54)는 컵(80) 및 리드(82)를 포함하며, 상기 리드(82)는 자계 발생기(74)를 둘러싼다. 컵(80)은 캐소우드(18)의 보어(46)내에 수납되며, 자계 발생기(74)는 캐소우드(18)의 축방향 중간점(41)과 실질적으로 정렬된다. 컵(80)은 캐소우드(18)와 전기적으로 접촉되어, 캐소우드(18)를 접촉자(20)에 접속시킨다. 작동기(22)는 접촉자 헤드(54)를 선택적으로 작동시켜 캐소우드(18)와 접촉시키고 분리시킨다. 도 4는 각기 컵(80)상의 맞물림 수형 표면(84) 및 캐소우드 보어(46)내의 맞물림 암형 표면(86)을 도시한 것이다. 맞물림 암수형 표면(84, 86)은 적당한 전기적 접촉을 위해 필요한 접촉을 용이하게 한다. 선택적으로, 다른 접속 형태가 사용될 수도 있다. 양 실시예에 있어서, 접촉자 샤프트(56) 및 헤드(54)는 구리 합금과 같은 전기 전도성 재료로 제조된다.
자계 발생기(74)는 바람직하게 세그먼트화된 환상의 자석(88)을 포함하며, 이 자석은 제 1 단부 표면(90) 및 제 2 단부 표면(92)을 포함한다. 환상의 자석(88)의 극 단부는 단부 표면(90, 92)과 정렬된다. 즉 하나의 단부 표면은 N 극성이며, 다른 표면은 S 극성이다. 변형예에서, 자계 발생기(74)는 다수의 자석(94) 및 홀더(96)를 포함한다. 자석(94)은 홀더(96)내에 보유되며, 캐소우드 보어(46)의 원주 주위에서 균일하게 이격되어 있다. 상업적으로 쉽게 입수할 수 있는 원통형 자석이 사용될 수도 있다. 도 5는 홀더(96)내에 보유된 4개의 자석(94)을 구비한 실시예를 도시하였지만, 자석(94)의 갯수는 공정을 바로 적용하기 위해 다양하게 될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예는 자계 발생기(74)를 회전시키기 위한 장치(98)를 더 포함한다. 회전 장치(98)는 냉각 튜브(60)를 통해 그리고 자석 홀더(96)와 접속하는 헤드(54)내로 연장하는 로드(100)를 포함한다. 로드(100)의 대향 단부는 구동 벨트(104)를 거쳐 가변 속도 구동 모터(102)에 결합되다.
캐소우드 아크 피복기(10)는 기판을 전기적으로 바이어싱하기 위한 바이어싱 소스(106)를 구비하는 것이 바람직하다. 접점(108)은 바이어싱 소스(106) 및 플래터(38)를 전기적으로 접속한다. 기판(12)은 플래터(38)에 기계적으로 및 전기적으로 접속되고, 이어서 바이어싱 소스(106)에 전기적으로 접속된다. 변형예로, 기판(12)을 바이어싱 소스(106)에 전기적으로 접속하기 위한 다른 수단도 사용할 수 있다.
증발된 캐소우드 재료를 기판(12)의 영역내에 한정시키기 위해 피복기(10)의 전체에 걸쳐 편향기 차폐체(deflector shields)(110)가 사용된다. 편향기 차폐체(110)는 용기(14), 플래터(38) 및 접촉자(20)에 부착되고, 또한 접촉자(20)는 이들 표면상에의 바람직하지 않은 재료의 축적을 최소화한다. 바람직한 실시예 있어서, 용기(14)에 부착된 편향기 차폐체(110)는 용기(14)에 전기적으로 접속되고, 또 스테인레스 스틸과 같은 내부식성의 전기 전도성 재료로 제조된다.
캐소우드(18)와 애노우드(26) 사이에 전기 에너지의 아크를 지속시키기 위한 수단(24)은 직류(DC) 전력 공급원(112)을 구비한다. 바람직한 실시예에 있어서, 전력 공급원(112)의 양극 도선(114)은 용기(14)에 접속되어, 용기(14)가 애노우드로서 작용하도록 한다. 전력 공급원(112)의 음극 도선(116)은 접촉자의 샤프트(56)에 전기적으로 접속된다. 변형 실시예는 용기(14)의 내부에 배치된 애노우드(도시하지 않음)를 사용할 수도 있다. 아크 개시기(118)는 용기(14)의 전위에 또는 그 근처에 유지된다. 아크 개시기(118)는 캐소우드(18)와 접촉하고 분리될 수 있다.
장치의 작동
도 1을 참조하면, 본 발명의 캐소우드 아크 피복기(10)의 작동에 있어서, 캐소우드(18)는 플래터(38)의 중앙에 부착되고, 기판(12)은 캐소우드(18)를 둘러싸는 각각의 회전가능한 다리(39)에 부착된다. 이어서, 플래터(38)는 용기(14)내로 장전된다. 기판(12)은 사전에 기름이 제거되고 실질적으로 세정되어 있지만, 각 기판은 그의 외부 표면상에 잔류하는 약간의 분자 오염물 및 산화물을 가질 수도 있을 것이다. 다음에, 작동 실린더(66)는 접촉자(20)를 작동시켜 캐소우드(18)와 전기적으로 접촉시키고, 용기(14)는 폐쇄된다. 기계적 러프 진공 펌프(34)가 작동되어 용기(14)를 사전설정된 압력까지 진공시킨다. 소정의 압력에 도달되면, 고용적 확산 진공 펌프(36)가 용기(14)를 거의 진공 상태까지 더욱 진공화시킨다. 다음에, 기판(12)은 스퍼터링 세정과 같은 방법에 의해서 임의 잔류 오염물 및/또는 산화물이 세정된다. 스퍼터링 세정은 당해 기술에서 공지된 방법이므로, 여기서 상세한 설명은 하지 않겠다. 변형예로, 다른 세정방법도 사용할 수 있다. 기판(12)이 세정된 후에, 오염물은 전형적으로 불활성 가스를 사용하여 제거된다.
아크를 개시하기 전에, 수개의 단계가 완료된다. 즉, (1) 기판(12)은 바이어싱 소스(106)를 통해 특정 바이어스로 설정되어, 이들 기판이 캐소우드(18)로부터 방출된 양이온에 대해 전기적으로 끌려지게 한다. (2) 기판(12)은 운동시에 특정의 회전속도로 회전된다. (3) 전력 공급원(112)은 특정한 크기의 전류 및 전압을 갖는 아크를 설정하도록 셋팅된다. 그러나, 어떠한 아크도 개시되지 않는다. (4) 진공 펌프(34, 36)는 용기(14)내에 가스의 특정한 진공 압력을 설정하고 유지한다. (5) 냉각제는 용기(14) 및 접촉자(20)내의 냉각 통로(30, 32)를 통해 순환된다. 특수한 공정 파라메터는 기판의 재료, 피복될 재료, 피복의 소망의 특징 등과 같은 인자에 의존할 것이다.
전술한 단계가 완료되면, 아크 개시기(118)는 캐소우드(18)의 증발 표면(44)에 접촉하고 그리고 떨어지게 되어, 아크가 아크 개시기(118)와 증발 표면(44) 사이를 점핑하도록 유발한다. 다음에, 아크 개시기(118)는 캐소우드(18)로부터 떨어진 거리, 바람직하게는 기판(12)의 외부로 방사상으로 이동된다. 아크 개시기(118)가 캐소우드(18)에 더 이상 인접되어 있지 않으면, 아크는 캐소우드(18)와 애노우드 용기(14)에 전기적으로 접속된[또는 애노우드 용기(14)에 직접] 편향기 차폐체(110) 사이를 점핑한다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 접촉자(20)내에 배치된 자계 발생기(74)는 캐소우드(18)의 증발 표면(44)을 따라서 아크를 드라이브한다. 환상의 자석(88)[또는 자석(94)]은 자계를 발생하고, 자계의 일부는 캐소우드 증발 표면(44)에 실질적으로 실질적으로 평행하게 이동한다. 도 3은 자계 라인이 이동되는 것으로 여겨지는 근사치를 도시한 것이다. 자계를 나타내는 벡터(124)는 캐소우드의 단부 표면(40, 42) 사이로 연장된다. 자계 벡터의 방향은 자석 극성의 배향에 의존한다. 다중 자석(94)의 경우에, 모든 자석 극성은 유사한 방식으로 배향된다. 이와는 대조적으로, 전기 아크를 나타내는 벡터(126)는 증발 표면(44)으로부터 실질적으로 수직한 방향으로 떨어지게 연장된다. 자계 및 아크의 전류는 함께 아크상에 힘[홀 효과(Hall effect)]을 발생시켜 캐소우드(18)의 원주부 주위에서 소정 거리로 아크를 드라이브한다. 임의의 특정 캐소우드 스폿에서 아크의 체재 시간(dwell time)은 홀 효과의 힘에 역으로 관련된다. 즉, 홀 효과의 힘이 증가하면, 체재 시간은 감소한다. 환상의 자석(88)을 이용하는 실시예에서, 연속적인 환상의 자계 및 전류는 캐소우드(18)의 증발 표면(44)을 선회하는 아크 경로(128)를 따라 아크를 드라이브한다. 자석(94)이 서로 원주방향으로 매우 근접되어 있는 다중 자석(94)의 실시예에서, 개별 자계는 공동으로 아크 경로(128)를 따라 아크를 드라이브 한다. 다수의 자계(94), 자석(94)으로부터 방출된 자계의 상대적인 간격 및 이들 자계의 강도는 조정될 수 있어서 바로 응용할 수 있게 한다.
캐소우드에 대한 자계 발생기(74)의 대칭성은 피복 공정의 효율을 증가시켜, 특정 캐소우드로부터 부식될 수 있는 재료의 양을 최대화한다. 특히, 캐소우드의 축방향 중간점(41)상에 자계 발생기(74)를 실질적으로 정렬시키면 아크 경로(128)가 캐소우드(18)의 축방향 중간점(41)에 근접되게 하는 것을 증진시킨다. 또한, 캐소우드(18)에 대한 자계 발생기(74)의 대칭성은 캐소우드 증발 표면(44)에 대한 자계 라인의 평행성을 증가시키는 것으로 나타난다. 증발 표면(44)을 따라 증발 표면(44)에 평행하게 상당한 거리로 연장하는 자계 라인은 아크가 평균 아크 경로(128)의 위치의 양 측면상에서 대칭적으로 이동하게 하는 것으로 나타난다. 결과적으로, 부식 패턴(52)은 부식 공정 동안에 축방향으로 성장함으로써, 특정 환상 캐소우드(18)로부터 부식될 수 있는 캐소우드 재료의 양을 최대화하며, 이어서 피복 공정의 효율을 향상시킨다.
도 2 및 도 4는 부식된 캐소우드(18)를 아크 경로(128)를 중심으로 실질적으로 대칭인 점선으로 도시한 것이다. 자계 발생기(74)를 회전시키기 위한 장치(98)를 포함한 실시예에 있어서(도 1 및 도 4 참조), 접촉자(20)내에서 자계 발생기(74)의 회전은 캐소우드(18)의 균일한 축방향 및 원주방향 부식을 촉진하는데 도움을 준다. 이러한 회전은 캐소우드(18)의 원주부 주위에서 각 자석(94)의 자계 기여도를 시간의 함수로서 분산한다. 그러나, 자계 발생기(74)의 회전은 선회하는 아크를 발생시키기 위해 필요한 것이 아님을 강조해 두고 싶다. 전술한 바와 같이, 환상의 자석(88)의 자계[또는 자석(94)의 개별 자계가 연합하여]는 아크가 캐소우드의 증발 표면(44)을 선회하도록 힘을 가한다.
도 1을 참조하면, 아크에 의해 전달된 에너지는 캐소우드 스폿에서 재료를 증발시키며, 그에 따라 캐소우드(18)로부터 원자, 분자, 이온, 전자 및 입자를 유리시킨다. 바이어스된 기판(12)은 이온을 끌어당기고, 이들 이온을 기판쪽으로 가속화시킨다. 이온은 기판(12)의 외부 표면에 충돌하고, 그것에 부착되며, 연합하여 캐소우드 재료의 피막을 형성한다. 충분한 두께의 피막이 기판(12)상에 피복되었을 때, 전력 공급원(112)은 차단되고, 아크는 소멸된다. 용기(14)는 불활성 가스로 청정되고 그리고 대기압으로 놓이게 된다. 접촉자(20)는 캐소우드(18)와 접촉되지 않게 작동되고, 플래터(38)는 용기(14)로부터 제거된다. 그후, 기판(12)은 플래터(38)로부터 제거되고 그리고 새로운 기판(12)이 부착된다. 다음에, 로딩된 플래터(38)는 전술한 방식으로 용기(14)내에 다시 삽입되고, 공정이 반복된다.
본 발명이 그의 바람직한 실시예에 대해 도시되고 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 형태 및 세부사항에 있어서 다양한 변경이 본 발명의 정신 및 범위를 이탈하지 않고 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, LCR 회로 또는 다른 정류수단을 갖는 것과 같은 직류와 유사한 작용을 하는 전력 공급원(112)도 DC 전력 공급원 대신에 사용될 수 있다. 다른 예로서, 도 4에는 다수의 자석(94) 및 홀더(96)를 구비한 자계 발생기(74)를 도시되어 있다. 도 2에 도시된 환상의 자석(88)은 다수의 자석(94) 및 홀더(96) 대신에 사용될 수도 있다.
효율적으로 작동하고 기판상에 재료를 캐소우드 아크 증착하기 위한 장치가 필요한데, 본 발명에 따르면 기판상에 고품질의 피복을 일관성있게 제공하고, 효과적인 비용으로 작동할 수 있는 캐소우드 아크 증착장치가 제공된다.

Claims (22)

  1. 캐소우드 아크 증착에 의해 기판에 재료를 도포하기 위한 장치에 있어서,
    용기와,
    상기 용기내에 진공을 유지하기 위한 수단과,
    제 1 단부 표면, 제 2 단부 표면, 증발 표면 및 보어를 구비하는 환상의 캐소우드로서, 상기 보어 및 상기 증발 표면은 상기 제 1 및 제 2 표면 사이에서 연장하며, 상기 용기내에서 상기 환상의 캐소우드는 상기 기판의 내부에 반경방향으로 위치되고 상기 기판과 정렬되는, 상기 환상의 캐소우드와,
    상기 환상의 캐소우드와 애노우드 사이에 전기 에너지의 아크를 선택적으로 지속시키기 위한 수단과,
    상기 증발 표면 주위에서 상기 아크를 드라이브하기 위한 수단을 포함하며,
    상기 아크 드라이브 수단은 상기 보어내에 위치되며, 상기 증발 표면에 실질적으로 평행하게 이동하는 자계를 발생하며,
    상기 캐소우드와 상기 애노우드 사이에 연장된 전기 에너지의 상기 아크는 상기 캐소우드의 일부를 유리시키며, 이 유리된 것은 이어서 상기 캐소우드의 반경방향 외부에 위치된 기판상에 부착되는
    캐소우드 아크 증착장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소우드와 상기 애노우드 사이에 전기 에너지의 아크를 지속시키기 위한 상기 수단이 양극 도선과 음극 도선을 구비한 전력 공급원을 포함하며,
    상기 전력 공급원의 상기 음극 도선은 상기 캐소우드에 전기적으로 접속되어 있고, 상기 양극 도선은 상기 용기에 전기적으로 접속됨으로써, 상기 용기가 상기 애노우드로서 작동하게 하며,
    상기 캐소우드는 상기 용기로부터 전기적으로 절연되는
    캐소우드 아크 증착장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발 표면을 둘러싸는 상기 아크를 드라이브하기 위한 상기 수단이 다수의 자석과 홀더를 구비하는 자계 발생기를 포함하며,
    상기 자계 발생기는 상기 캐소우드 보어내에 위치되며, 상기 환상의 캐소우드의 축방향 중간점과 실질적으로 정렬되는
    캐소우드 아크 증착장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 홀더는 상기 보어의 원주 주위에서 일정하게 이격된 배열로 상기 자석을 유지하는
    캐소우드 아크 증착장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발 표면 주위에서 상기 아크를 드라이브하기 위한 상기 수단이 환상의 자석을 구비하는 자계 발생기를 포함하며,
    상기 자계 발생기는 상기 캐소우드 보어내에 위치되며, 상기 환상의 캐소우드의 축방향 중간점과 실질적으로 정렬되는
    캐소우드 아크 증착장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 환상의 자석이 다수의 세그먼트를 구비하는
    캐소우드 아크 증착장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    보호 피막을 더 포함하며,
    상기 보호 피막은 강자성 중심편 및 상기 자석의 부식을 방지하도록 상기 자석을 둘러싸는 에워싸는
    캐소우드 아크 증착장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 공급원에 전기적으로 접속된 접촉자와, 작동기를 더 포함하며,
    상기 작동기는 상기 접촉자를 선택적으로 작동시켜 상기 캐소우드와 전기적으로 접촉되며, 이에 의해 상기 전력 공급원에 상기 캐소우드를 전기적으로 접속하는
    캐소우드 아크 증착장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 작동기가 상기 용기 내부에 위치된 헤드와, 상기 헤드에 부착되고 상기 헤드로부터 상기 용기까지 연장하는 중공 샤프트를 포함하는
    캐소우드 아크 증착장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 접촉자가 상기 샤프트 및 헤드를 냉각시키기 위한 수단을 더 포함하는
    캐소우드 아크 증착장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 냉각 수단이,
    상기 중공 샤프트 내부에 위치된 냉각 튜브로서, 상기 냉각 튜브와 상기 중공 샤프트 사이에 통로가 형성되는, 상기 냉각 튜브와,
    상기 냉각제 튜브 및 상기 통로에 연결되어 상기 접촉자내에 냉각제를 제공하기 위한 냉각제 공급원을 포함하는
    캐소우드 아크 증착장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    플래터를 더 포함하며,
    상기 하나 이상의 기판은 상기 플래터에 연결되며,
    상기 캐소우드는 상기 플래터상에 장착되며, 상기 플래터로부터 전기적으로 절연되며,
    상기 플래터는 부착하기 전에 상기 용기내로 장전되며, 이어서 제거되는
    캐소우드 아크 증착장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 플래터에 피봇식으로 부착된 다수의 다리를 더 포함하며,
    상기 하나 이상의 기판은 상기 각각의 다리에 부착되며,
    상기 다리 및 상기 부착된 기판은 상기 캐소우드에 대해 방향을 변경시키도록 회전될 수 있는
    캐소우드 아크 증착장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 증발 표면 주위에서 상기 아크를 드라이브하기 위한 상기 수단이 상기 헤드내에 배치된 다수의 자석 및 홀더를 구비한 자계 발생기를 포함하며,
    상기 헤드는 상기 자계 발생기가 상기 환상의 캐소우드의 축방향 중간점과 실질적으로 정렬되는 위치에서 상기 캐소우드 보어내로 선택적으로 작동되는
    캐소우드 아크 증착장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 홀더는 상기 보어의 원주 주위에서 일정하게 이격된 배열로 상기 자석을 보유하는
    캐소우드 아크 증착장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 헤드내에서 상기 자계 발생기를 회전시키기 위한 수단을 더 포함하는
    캐소우드 아크 증착장치.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 증발 표면 주위에서 상기 아크를 드라이브하기 위한 상기 수단이 상기 헤드내에 배치된 환상의 자석 및 홀더를 구비한 자계 발생기를 포함하며,
    상기 헤드는 상기 자계 발생기가 상기 환상의 캐소우드의 축방향 중간점과 실질적으로 정렬되는 위치에서 상기 캐소우드 보어내로 선택적으로 작동되는
    캐소우드 아크 증착장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 환상의 자석은 다수의 세그먼트를 구비하는
    캐소우드 아크 증착장치.
  19. 제 8 항에 있어서,
    상기 증발 표면 주위에서 상기 아크를 드라이브하기 위한 상기 수단이 다수의 자석 및 홀더를 구비한 자계 발생기를 포함하며,
    상기 자계 발생기는 상기 캐소우드 보어내에 위치되며, 상기 환상의 캐소우드의 축방향 중간점과 실질적으로 정렬되는
    캐소우드 아크 증착장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 홀더는 상기 보어의 원주 주위에서 일정하게 이격된 배열로 상기 자석을 보유하는
    캐소우드 아크 증착장치.
  21. 제 8 항에 있어서,
    상기 증발 표면 주위에서 상기 아크를 드라이브하기 위한 상기 수단이 환상의 자석을 구비하는 자계 발생기를 포함하며,
    상기 자계 발생기는 상기 캐소우드 보어내에 위치되며, 상기 환상의 캐소우드의 축방향 중간점과 실질적으로 정렬되는
    캐소우드 아크 증착장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 환상의 자석은 다수의 세그먼트를 구비하는
    캐소우드 아크 증착장치.
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