KR19990024032A - 캐소우드 아크 증착장치 - Google Patents

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KR19990024032A
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Abstract

본 발명에 따르면, 캐소우드 아크 증착에 의해 기판에 재료를 도포하는 장치가 제공되는데, 이 장치는 용기(vessel)와, 상기 용기내에 진공을 유지하기 위한 장치와, 디스크 형상의 캐소우드와, 상기 캐소우드와 애노우드 사이에 전기 에너지의 아크를 선택적으로 지속시키기 위한 장치와, 상기 캐소우드의 주위에서 아크를 조정하기 위한 장치를 포함한다. 캐소우드와 애노우드 사이에 연장된 전기 에너지의 아크는 캐소우드의 일부를 유리시키며, 이 유리된 것은 이어서 용기 내부에 배치된 기판상에 부착된다.

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 양극 부재에 부착된다. 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.
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. 약간의 종래기술은 캐소우드에 대해 자계 소스를 기계적으로 조절하는 것에 의해서 아크를 조정한다. 다른 종래기술은 캐소우드의 2개 단자 사이에 전력 공급원의 도선을 교번하여 전기적으로 접속하는 것에 의해서 아크를 조정한다. 양자의 이들 접근법에 있어서, 캐소우드에 대한 아크의 속도는 자계 소스를 조절하거나 또는 전력 공급원을 스위칭하는 장치의 속도에 의해서 제한된다. 다른 제한사항은 캐소우드에 대해 자계 소스를 조정하는데 필요한 스위칭 기구 및 하드웨어의 복잡성에 있다. 당업자는 제조 피복 환경이 가혹하고 그리고 단순성은 일반적으로 신뢰성과 동일시 된다는 것을 인식할 것이다.
현재 이용가능한 캐소우드 아크 피복기(coaters)는 전형적으로 피복기내에 적소에 고정되는 냉각된 캐소우드를 사용한다. 한 냉각 방법은 캐소우드에 부착된 매니폴드(manifold)를 제공하는데, 이 매니폴드는 캐소우드와 매니폴드 사이에 냉각제의 통로를 허용한다.
다른 냉각 방법은 중공형 캐소우드에 접속된 냉각제용 파이프(piping)를 사용한다. 양자 방법의 문제점은 캐소우드가 매니폴드 또는 파이프를 수용하기 위해서 기계가공되어야 한다는 것이다. 모든 캐소우드의 재료가 기계가공되기에 용이한 것은 아니며, 또 기계가공이 가능하다 하더라도, 이러한 기계가공은 소비성 캐소우드의 비용을 상당히 증가시킨다. 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. 직접적인 캐소우드 냉각의 경우, 다른 문제점은 누출에 관한 것이다. 피복 공정중에 냉각제의 누출이 발생하면, 피복될 기판을 오염시킬 수 있고, 피복 체임버내의 광범위한 세정이 요구된다. 가스 터빈 엔진용 에어포일(airfoils)은 피복될 고가의 기판의 예에 해당하는데, 이 경우 오염으로 인한 손실을 최소화하거나 또는 그 손실을 제거하는 것이 독특한 장점이 될 것이다.
간단히 말하면, 효율적으로 작동하고 기판상에 재료를 캐소우드 아크 증착하기 위한 장치가 필요한데, 기판상에 고품질의 피복을 일관성있게 제공하고, 캐소우드의 부식을 최적화하며, 또 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, 장치내의 모든 기판상에 균일한 고품질의 피막을 형성하는 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 기판상에 재료를 캐소우드 아크 증착하기 위한 것으로, 종래기술의 제한사항을 극복하기 위해서 캐소우드에 대해 아크를 조정하는 수단을 포함하는 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따르면, 캐소우드 아크 증착에 의해 기판에 재료를 도포하는 장치가 제공되는데, 이 장치는 용기(vessel)와, 상기 용기내에 진공을 유지하기 위한 수단과, 디스크 형상의 캐소우드와, 상기 캐소우드와 애노우드 사이에 전기 에너지의 아크를 선택적으로 지속시키기 위한 수단과, 상기 캐소우드의 주위에서 아크를 조정하기 위한 수단을 포함한다. 캐소우드와 애노우드 사이에 연장된 전기 에너지의 아크는 캐소우드의 일부를 유리시키며, 이 유리된 것은 이어서 용기 내부에 배치된 기판상에 부착된다.
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 절단될 수 있다. 단순하게 형성된 캐소우드는 최소 비용의 기계가공을 요하며, 그에 따라 캐소우드의 비용 및 전체의 피복 공정을 감소시킬 수 있다. 다른 효과적인 비용 특징은 캐소우드의 부식이 원주방향으로 균일하다는 점이다. 그 결과, 캐소우드의 수명은 교체가 필요하기 전에 최대화될 수 있다.
본 발명의 다른 특징은 피복 공정의 균일성에 있다. 캐소우드의 주위에서 아크를 조정하는 수단은 캐소우드 부식의 균일성을 증가시킨다. 특히, 캐소우드의 원주부 주위에서 아크를 실질적으로 일정한 속도로 조정하면, 캐소우드의 균일한 원주방향 부식을 발생시키게 된다. 캐소우드의 주위에 배치되고 그리고 그 캐소우드로부터 균등하게 이격된 기판에는 결과적으로 피막의 보다 균일한 피복이 이루어진다. 또한, 캐소우드 원주부 주위에서의 아크의 속도는 자계의 강도 및 공급된 전류량의 함수이다. 그 결과, 아크의 속도는 전류량, 자계의 강도 또는 이들 양자를 변경하는 것에 의해서 조절될 수 있다.
본 발명의 다른 장점은 캐소우드의 주위에서 아크를 조정하는 수단의 단순성 및 신뢰성에 있다. 아크를 조정하는 수단은 다수의 측면 자석과 하나의 강자성 중심편을 갖는 자계 발생기를 포함한다. 어떠한 스위칭 기구도 요구되지 않는다. 스위칭 기구의 부존재로 인해 조정수단의 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 단면도로서 쌍형 자계 발생기(twin magnetic field generators)를 나타낸 도면,
도 3은 자계 발생기의 측면도,
도 4는 도 3에 도시된 자계 발생기의 평면도,
도 5는 환상의 측면 자석을 갖는 자계 발생기의 평면도,
도 6은 도 5에 도시된 자계 발생기의 측면도,
도 7은 중앙 자석을 갖는 캐소우드 및 자계 발생기를 도시하고, 상기 캐소우드를 투과하는 자계 라인을 나타낸 도면,
도 8은 캐소우드 및 자계 발생기를 도시하고, 상기 캐소우드를 투과하는 자계 라인을 나타낸 도면.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 캐소우드 아크 증착장치 12 : 기판
14 : 용기 18 : 캐소우드
20 : 접촉자 24 : 애노우드
26 : 냉각제 공급원 48 : 플래터
52 : 헤드 54 : 샤프트
94 : 회전 장치 102 : 작동기
114 : 전력 공급원 115 : 양극 도선
117 : 음극 도선
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), 캐소우드(18)와 애노우드(24) 사이에 전기 에너지의 아크를 지속시키기 위한 수단(22)을 구비한다. 냉각제 공급원(26)은 용기(14) 및 접촉자(20)내의 냉각 통로(28, 30)를 통해 냉각제를 순환시키는 것에 의하여 장치(10)를 허용가능한 온도내로 유지한다. 바람직한 실시예에 있어서, 용기(14)내에 진공을 유지하기 위한 수단(16)은 용기(14)의 내부에 파이프 접속된 기계적인 러프 진공 펌프(rough vacuum pump)(32)와 고용적 확산형 진공 펌프(34)를 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 캐소우드(18)는 한쌍의 단부 표면(38,40) 사이에 연장된 증발 표면(36)을 갖는 실질적으로 원통형 디스크이다. 단부 표면(38, 40)은 서로에 대해 실질적으로 평행하다. 피복된 피복물은 캐소우드(18)의 재료 조성물에 해당하며, 캐소우드(18)는 단순히 주조 로드(cast rod)로부터 절단될 수 있다. 캐소우드(18)의 축방향 길이(42)는 캐소우드(18)의 증발 표면(36)을 따라 부식 패턴(46)의 예상된 최종 폭(44) 보다 긴것이 바람직하다. 부식 패턴(46)을 단부 표면(38, 40) 사이에 유지하면, 아크가 캐소우드(18)의 증발 표면(36)을 떠나게 될 가능성을 최소화 할 수 있다. 기판(12)은 용기(14)의 내부 및 외부로 회전하는 플래터(platter)(48)상에 장착된다. 플래터(48)는 기판을 회전시키기 위한 수단(도시않됨)을 포함한다.
접촉자(20)는 샤프트(54)에 부착된 헤드(52)를 구비한다. 헤드(52)는 용기(14)의 내부에 배치되고, 샤프트(54)는 헤드(52)로부터 용기(14)의 외부로 연장된다. 절연성 디스크(56)는 접촉자(20)를 용기(14)로부터 전기적으로 절연한다. 바람직하게는, 접촉자(20)는 샤프트(54)내에 동축으로 배치된 냉각 튜브(58)와, 냉각 튜브(58)에 접속된 냉각제 입구 포트(60)(도 1 참조)와, 동축의 냉각 튜브(58)와 샤프트(54) 사이에 형성된 통로(30)에 접속된 냉각제 출구 포트(62)를 더욱 구비한다. 냉각 튜브(58)와 샤프트(54)간의 동축 배열은 냉각제 공급원(26)으로부터의 냉각제가 냉각 튜브(58)로 진입하고 그리고 샤프트(54)와 냉각 튜브(58) 사이의 통로(30)를 통해 복귀하는 것을 가능하게 하며, 또는 그 역으로도 가능하게 한다.
도 2 내지 도 8을 참조하면, 접촉자의 헤드(52)는 컵(cup)(66), 샤프트 플랜지(68) 및 자계 발생기(74)를 구비한다. 샤프트 플랜지(68)는 샤프트(54)에 고정되고, 컵(66)은 샤프트 플랜지(68)에 제거가능하게 부착된다. 컵(66), 샤프트 플랜지(68) 및 샤프트(54)는 구리 합금과 같은 전기 전도성 재료로 제조된다. 자계 발생기(74)는 강자성의 중심편(82)과, 다수의 측면 자석(84)과, 중앙 자석(86)을 구비한다. 중심편(82)은 2개의 단부 표면(90) 사이에 연장된 적어도 하나의 측면 표면(88)과, 중앙 자석(86)을 수납하는 중공부(92)를 구비한다. 측면 자석(84)과 중앙 자석(86)은 전자석과 같은 교류 자계 소스도 사용될 수 있지만 영구자석인 것이 바람직하다. 예를 들어, 원통형 영구자석(도 2 내지 도 4, 도 7 및 도 8 참조)이 유익한데, 이것은 상업적으로 입수할 수 있고 또 비교적 저렴하기 때문이다. 이와는 달리, 환상의 자석도 사용될 수 있으며(도 5 및 도 6 참조), 이 환상의 자석은 분할되거나 또는 일체로 될 수 있다. 측면 자석(84)은 측면 표면(88)에 부착되며, 중앙 자석(86)은 중공부(92)내에 수납되거나 또는 단부 표면(90)에 부착된다. 도 8은 강자성의 중심편(82)과 측면 자석(84)을 포함하지만, 중앙 자석(86)을 포함하지 않은 자계 발생기(74)를 도시한 것이다. 모든 실시예에 있어서, 측면 자석(84)의 수는 준비되어 있는 공정을 수용하도록 변경될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 자계 발생기를 회전시키기 위한 장치(94)가 포함되어 있다. 회전 장치(94)는, 냉각 튜브(58)를 통해 헤드(52)내로 연장되어 강자성의 중심편(82)에 접속되는 로드(rod)(96)를 구비한다. 로드(96)의 반대 단부는 구동 벨트(100)를 통해 변속 구동 모터(98)에 접속된다(도 1 참조).
캐소우드 아크 피복기(10)는 또한 접촉자(20)를 캐소우드(18)와 전기적 접촉 상태로 선택적으로 작동시키기 위한 작동기(102)를 포함할 수도 있으며, 이 작동기(102)는 용기(14)와 접촉자의 샤프트(54)에 부착된 샤프트 플랜지(106) 사이에서 (유압 또는 공압으로) 작동하는 한쌍의 2방향 작동 실린더(104)를 구비한다. 작동 실린더(104) 대신에 기계적인 장치도 사용할 수 있다. 상업적으로 입수가능한 제어기(도시않됨)를 사용하여 실린더(또는 기계적인 장치)의 위치 및 힘을 제어할 수 있다. 도 1은 고정된 지지체(19)와 작동가능한 접촉자(20) 사이에 배치된 캐소우드(18)를 도시한 것이다. 도 2는 접촉자(20)가 캐소우드(18)의 각 단부 표면(38, 40)에 접촉되어 있는 변형 실시예의 캐소우드(18)의 배열을 도시한 것이다.
캐소우드 아크 피복기(10)는 기판을 전기적으로 바이어싱하기 위한 바이어싱 소스(108)를 구비하는 것이 바람직하다. 기판(12)을 애노우드(24)에 대해 부로(negatively) 바이어싱하면, 기판(12)이 캐소우드(18)로부터 유리된 양이온에 대해 전기적으로 끌려지게 한다. 접점(110)은 바이어싱 소스(108)를 플래터(48)에 전기적으로 접속한다. 기판(12)은 플래터(48)에 전기적으로 접속되고, 이어서 바이어싱 소스(108)에 전기적으로 접속된다. 변형예로, 기판(12)을 바이어싱 소스(108)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)(112)가 사용된다. 편향기 차폐체(112)는 용기(14), 플래터(48) 및 접촉자(20)에 부착되고, 또한 이들 표면상에의 바람직하지 않은 재료의 축적을 최소화한다. 바람직한 실시예 있어서, 용기(14)에 부착된 편향기 차폐체(112)는 용기(14)에 전기적으로 접속되고, 또 스테인레스 스틸과 같은 내부식성의 전기 전도성 재료로 제조된다.
캐소우드(18)와 애노우드(24) 사이에 전기 에너지의 아크를 지속시키기 위한 수단(22)은 직류(DC) 전력 공급원(114)을 구비한다. 바람직한 실시예에 있어서, 전력 공급원(114)의 양극 도선(115)은 용기(14)에 접속되어, 용기(14)가 애노우드(24)로서 작용하도록 한다. 전력 공급원(114)의 음극 도선(117)은 접촉자의 샤프트(54)에 전기적으로 접속된다. 변형 실시예는 용기(14)의 내부에 배치된 애노우드를 사용할 수도 있다. 아크 개시기(116)는 용기(14)의 전위에 또는 그 근처에 유지되고, 아크를 개시하기 위해 사용된다.
장치의 작동
도 1을 참조하면, 본 발명의 작동에 있어서, 캐소우드 아크 피복기(10), 다수의 기판(12) 및 캐소우드(18)는 플래터(48)에 부착되고, 용기(14)내에 로딩된다. 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(104)는 접촉자(20)를 작동시켜 캐소우드(18)와 전기적으로 접촉시키고, 용기(14)는 폐쇄된다.
기계적 러프 진공 펌프(32)가 작동되어 용기(14)를 사전설정된 압력까지 진공시킨다. 소정의 압력에 도달되면, 고용적 확산 진공 펌프(34)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(108)를 통해 전기적으로 바이어싱되어, 이들 기판이 캐소우드(18)로부터 방출된 양이온에 대해 전기적으로 끌려지게 한다. (2) 기판(12)은 특정의 회전속도로 회전된다. (3) 전력 공급원(114)은 특정한 크기의 전류 및 전압을 갖는 아크를 설정하도록 셋팅된다. 그러나, 어떠한 아크도 개시되지 않는다. (4) 진공 펌프(32, 34)는 용기(14)내에 가스의 특정한 진공 압력을 설정하고 유지한다. (5) 냉각제는 용기(14) 및 접촉자(20)내의 냉각 통로(28, 30)를 통해 순환된다. 특수한 공정 파라메터는 기판의 재료, 피복될 재료, 피복의 소망의 특징 등과 같은 인자에 의존할 것이다.
전술한 단계가 완료되면, 아크 개시기(116)는 캐소우드(18)의 증발 표면(36)에 접촉하고 그리고 떨어지게 되어, 아크가 아크 개시기(116)와 증발 표면(36) 사이를 점핑하도록 유발한다. 다음에, 아크 개시기(116)는 캐소우드(18)로부터 떨어진 거리, 바람직하게는 기판(12)의 외부로 방사상으로 이동된다. 아크 개시기(116)가 캐소우드(18)에 더 이상 인접되어 있지 않으면, 아크는 캐소우드(18)와 용기(14)에 전기적으로 접속된 편향기 차폐체(112) 사이를 [또는 캐소우드(18)와 용기(14) 사이를 직접적으로] 점핑한다.
접촉자(20)내에 배치된 자계 발생기(74)는 캐소우드(18)의 증발 표면(36)을 따라서 캐소우드 스폿을 실행한다. 보다 특정화되도록, 각각의 측면 자석(84)은 캐소우드(18)를 투과하고 그리고 캐소우드의 증발 표면(36)에 대해 실질적으로 평행하게 이동하는 자계를 발생시킨다. 도 7 및 도 8은 자계 라인이 이동되는 것으로 여겨지고 또한 벡터(124)가 캐소우드의 단부 표면(38, 40) 사이로 연장된 자계를 나타내는 것의 근사치를 도시한 것이다. 자계 벡터(124)의 방향은 측면 자석(84)의 자극의 배향에 의존하며, 모든 측면 자석은 유사한 방식으로 배향된다. 이와는 대조적으로, 전기 아크를 나타내는 벡터(126)는 증발 표면(36)으로부터 실질적으로 수직한 방향으로 떨어지게 연장된다. 자계 및 아크의 전류는 함께 아크상에 힘[홀 효과(Hall effect)]을 발생시켜 아크가 캐소우드(18)의 원주부 주위에서 소정 거리로 이동되게 한다. 임의의 특정 캐소우드 스폿에서 아크의 체재 시간(dwell time)은 홀 효과의 힘에 역으로 관련된다. 즉, 홀 효과의 힘이 증가하면, 체재 시간은 감소한다. 당업자는 체재 시간이 감소되면 피복된 피막의 균일성 및 표면 마무리에 악영향을 미칠 수 있는 매크로 입자(macro-particles)의 발생을 감소시킨다는 것을 인식할 것이다.
측면 자석(84)의 개개의 자계는 서로에 대해 원주방향으로 인접하여 있고, 연합하여 아크가 아크 경로(122)(도 2 참조)를 따라서 캐소우드의 증발 표면(36)을 선회하도록 힘을 가한다. 측면 자석(84)의 수, 측면 자석(84)으로부터 방출되는 자계의 상대적 간격 및 이들 자계의 강도는 준비되어 있는 응용에 만족하도록 조절될 수 있다. 그러나, 약간의 응용에 있어서, 중앙 자석(86)을 더 포함하는 것이 유익하다. 중앙 자석(86)의 자계는 측면 자석(84)으로부터 방출되는 자계의 기하학적 구조에 영향을 미치는 것으로 여겨진다. 그 결과, 캐소우드(18)의 원주부 주위의 아크 경로(122)는 측면 자석(84)으로부터 떨어지게 축방향으로 이동된다. 따라서, 중앙 자석(86)은 아크 경로(122)의 축방향 위치를 이동시키는데 사용될 수 있다. 도 7은 측면 자석(84) 및 중앙 자석(86)으로부터의 자계가 상호작용하는 것으로 여겨지는 방식의 근사치를 도시한 것이다. 캐소우드(18)의 축방향 중간점 인접한 아크 경로(122)는 아크를 접촉자(20)[또는 양 접촉자(20)들 사이]로부터 떨어지게 유지하는데 도움을 주며, 그에 따라 접촉자(20)의 바람직하지 않은 마모를 최소화한다. 축방향 중간점에 인접한 아크 경로(122)(및 결과적인 부식의 기하학적 구조)는 또한 특정 캐소우드(18)로부터 부식될 수 있는 재료의 양을 최대화하는 것에 의해서 피복 공정의 효율을 증가시키는데 도움을 준다.
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.
도 2는 부식된 캐소우드(18)를 아크 경로(122)를 중심으로 실질적으로 대칭인 점선으로 도시한 것이다. 자계 발생기(74)를 회전시키기 위한 장치(94)를 포함한 실시예에 있어서, 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 측면 자석(84)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, 측면 자석(84)의 개개의 자계는 연합하여 아크가 캐소우드의 증발 표면(36)을 선회하도록 힘을 가한다.
도 1을 참조하면, 충분한 두께의 피막이 기판(12)상에 피복되었을 때, 전력 공급원(114)은 차단되고, 아크는 소멸된다. 용기(14)는 불활성 가스로 청정되고 그리고 대기압으로 놓이게 된다. 접촉자(20)는 캐소우드(18)와 접촉되지 않게 작동되고, 플래터(48)는 용기(14)로부터 제거된다. 그후, 기판(12)은 플래터(48)로부터 제거되고 그리고 새로운 기판(12)이 부착된다. 다음에, 로딩된 플래터(48)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. 일예에 있어서, 접촉자(20)를 냉각시키기 위한 수단이 본 발명에 개시된 것 이외의 것도 사용될 수 있다. 다른 예에 있어서, LCR 회로 또는 다른 정류수단을 갖는 것과 같은 직류와 유사한 작용을 하는 전력 공급원도 DC 전력 공급원 대신에 사용될 수 있다. 다른 예에 있어서, 본 발명에는 하나 또는 양 접촉자(20)가 이동가능한 것으로서 개시되어 있지만, 그러나 고정 접촉자(20)를 갖는 것도 허용될 수 있다.
효율적으로 작동하고 기판상에 재료를 캐소우드 아크 증착하기 위한 장치가 필요한데, 본 발명에 의하면 기판상에 고품질의 피복을 일관성있게 제공하고, 캐소우드의 부식을 최적화하며, 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;
    상기 용기의 내부에 배치되고, 제 1 단부 표면, 제 2 단부 표면 및 상기 제 1 단부 표면과 상기 제 2 단부 표면 사이에 연장된 증발 표면을 구비한 디스크 형상의 캐소우드와;
    상기 증발 표면과 애노우드 사이에 전기 에너지의 아크를 선택적으로 지속시키기 위한 수단과;
    상기 증발 표면의 주위에 상기 아크를 발생시키기 위한 수단을 포함하고,
    상기 아크를 발생시키기 위한 수단은 상기 캐소우드에 인접하여 배치되며, 또한 상기 아크를 발생시키기 위한 수단은 상기 캐소우드를 투과하는 자계를 형성하고,
    상기 캐소우드와 상기 애노우드 사이에 연장되는 전기 에너지의 상기 아크는 상기 캐소우드의 일부를 유리시키며, 이 유리된 것은 그 후에 상기 용기의 내부에 배치된 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 강자성 중심편과, 상기 강자성 중심편에 부착된 자계 발생기를 포함하며,
    상기 자계 발생기는 자계를 발생하며, 상기 자계의 일부는 상기 캐소우드의 상기 증발 표면과 실질적으로 평행하게 이동하는
    캐소우드 아크 증착장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 자계 발생기가 다수의 자석을 더 포함하며, 상기 각각의 자석은 상기 강자성 중심편의 측면 표면에 부착되며, 상기 자석은 상기 강자성 중심편 주위에서 일정하게 이격되어 있는
    캐소우드 아크 증착장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 자석은 영구 자석인
    캐소우드 아크 증착장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 각각의 자석은 원통형으로 형성되고 제 1 극 단부 및 제 2 극 단부를 구비하며, 상기 제 2 극 단부는 상기 제 1 극 단부의 극성과 반대의 극성을 가지는
    캐소우드 아크 증착장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    보호 피막을 더 포함하며,
    상기 보호 피막은 상기 강자성 중심편 및 상기 자석을 둘러싸서 상기 강자성 중심편 및 상기 자석의 부식을 방지하는
    캐소우드 아크 증착장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 캐소우드 단부 표면중 하나와 접촉하는 하우징을 더 포함하며,
    상기 자계 발생기는 상기 하우징내에 둘러싸여 있는
    캐소우드 아크 증착장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 하우징으로부터의 열 에너지를 선택적으로 전달하기 위한 수단을 더 포함하며,
    상기 열 에너지를 전달하기 위한 수단이 상기 하우징으로부터의 열 에너지를 선택적으로 전달하는
    캐소우드 아크 증착장치.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 강자성 중심편에 부착된 회전자를 더 포함하며,
    상기 회전자는 상기 강자성 중심편을 회전시키며, 상기 하우징 내부의 자계 발생기에 부착된
    캐소우드 아크 증착장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 회전자가 상기 용기 외부에 위치된 구동 모터와, 상기 강자성 중심편에 부착된 로드를 포함하며,
    상기 로드는 상기 용기 외부로 연장하고, 상기 구동 모터에 의해 선택적으로 회전되는
    캐소우드 아크 증착장치.
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 자계 발생기는 반경방향 내부 표면 및 반경방향 외부 표면을 구비한 환상의 자석이며, 상기 반경방향 외부 표면은 반경방향 내부 표면의 극성과 반대의 극성을 갖고 있는
    캐소우드 아크 증착장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    다수의 자석 세그먼트가 공동으로 상기 환상의 자석을 형성하는
    캐소우드 아크 증착장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 캐소우드 단부 표면중 하나와 접촉하는 하우징을 더 포함하며,
    상기 자계 발생기는 상기 하우징내에 둘러싸여 있는
    캐소우드 아크 증착장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 하우징으로부터의 열 에너지를 선택적으로 전달하기 위한 수단을 더 포함하며,
    상기 열 에너지를 전달하기 위한 수단이 상기 하우징으로부터의 열 에너지를 선택적으로 전달하는
    캐소우드 아크 증착장치.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 강자성 중심편에 부착된 회전자를 더 포함하며,
    상기 회전자는 상기 강자성 중심편을 회전시키며, 상기 하우징 내부의 자계 발생기에 부착된
    캐소우드 아크 증착장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 회전자가 상기 용기 외부에 위치된 구동 모터와, 상기 강자성 중심편에 부착된 로드를 포함하며,
    상기 로드는 상기 용기 외부로 연장하고, 상기 구동 모터에 의해 선택적으로 회전되는
    캐소우드 아크 증착장치.
  18. 제 3 항에 있어서,
    상기 강자성 중심편에 부착된 회전자를 더 포함하며,
    상기 회전자는 상기 강자성 중심편을 회전시키며, 상기 하우징 내부의 자계 발생기에 부착된
    캐소우드 아크 증착장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 회전자가 상기 용기 외부에 위치된 구동 모터와, 상기 강자성 중심편에 부착된 로드를 포함하며,
    상기 로드는 상기 용기 외부로 연장하고, 상기 구동 모터에 의해 선택적으로 회전되는
    캐소우드 아크 증착장치.
  20. 제 3 항에 있어서,
    상기 캐소우드 단부 표면중 하나와 접촉하는 하우징을 더 포함하며,
    상기 자계 발생기는 상기 하우징내에 둘러싸여 있는
    캐소우드 아크 증착장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 하우징으로부터의 열 에너지를 선택적으로 전달하기 위한 수단을 더 포함하며,
    상기 열 에너지를 전달하기 위한 수단이 상기 하우징으로부터의 열 에너지를 선택적으로 전달하는
    캐소우드 아크 증착장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발 표면 주위에서 상기 아크를 드라이브하기 위한 상기 수단이 각기 강자성 중심편에 부착된 다수의 자계 발생기를 포함하며,
    상기 자계 발생기중 하나는 상기 제 1 단부 표면에 근접하게 위치되며, 상기 자계 발생기중 다른 하나는 상기 제 2 단부 표면에 근접하여 위치되며,
    상기 각각의 자계 발생기는 자계를 발생하며, 상기 자계의 일부는 상기 캐소우드의 상기 증발 표면에 실질적으로 나란하게 이동하는
    캐소우드 아크 증착장치.
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