KR20010028157A - 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마에 의한 질화알루미늄 형성 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 알루미늄 또는 알루미늄합금의 표면에 형성되어 있는 산화알루미늄층 및 질화되지 않은 알루미늄 소재층이 질화알루미늄의 형성을 억제하는 문제를 해결함은 물론, 표면 접착력이 우수하고, 알루미늄 또는 알루미늄합금의 표면으로부터 내부로 수 미크론 이상의 두께를 갖는 질화알루미늄층을 형성시킬 수 있도록 함에 그 목적이 있다. 이를 위해 본 발명은 진공상태의 챔버 내에 질소가스의 주입과 수십 KV 이상의 펄스형 음전압을 인가하여 질소 플라즈마에 의한 질소이온을 시료의 내부에 주입시켜 질화알루미늄층을 형성시킨 후 챔버 내부를 진공화 하는 한편, 불활성가스의 주입과 수 KV 이하의 펄스형 음전압을 인가하여 불활성가스 플라즈마에 의한 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용으로 시료의 산화알루미늄층과 질화되지 않은 알루미늄 소재층을 제거한 후 불활성가스와 질소의 공급을 중단한 상태에서 질소가스의 주입과 수 KV 이하의 펄스형 음전압을 인가하여 시료의 내부에 형성된 질화알루미늄층을 성장시키는 구성으로 이루어진다.

Description

플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성 방법 및 그 장치{PLASMA OF USE NITRIDING ALUMINUM FORMATIVE AND APPARATUS}

본 발명은 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 특히 플라즈마 이온주입, 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용 및 플라즈마 질화의 순차적인 연속공정을 통하여 알루미늄 또는 알루미늄합금의 내부에 산화알루미늄층의 존재에 무관하게 질화알루미늄층을 형성시킬 수 있도록 하는 질화알루미늄 형성 기술에 관한 것이다.

일반적으로 표면처리라 함은 금속표면에 내마모성, 내식성, 내열성 및 윤활성 등을 주기 위한 것으로서, 금속표면의 경화처리, 방식(防蝕), 도금, 청정, 피복, 착색 및 도장을 위한 기타 조정처리까지 포함된다.

한편, 전술한 금속표면의 경화처리에는 침탄법(浸炭法, Carburizing), 질화법(窒化法, Nitriding), 청화법(靑化法, Cyaniding) 및 금속침투법(金屬浸透法) 등이 있다. 전술한 금속표면의 경화처리법 중 질화법은 다른 열처리 경화법에 비하여 처리 후 변형이 적기 때문에 기계부품의 수명연장 수단으로 전 산업분야에 활용되고 있다.

전술한 경화처리에서 질화라 함은 질소를 금속재료에 침투시켜 그 표면을 경화시키는 조작을 말하는 것으로, 이러한 질화에는 열처리에 의한 질화, 염욕질화 및 플라즈마(Plasma)를 이용한 질화 등이 있다.

특히, 플라즈마에 대한 이론을 기술하면, 플라즈마란 이온화된 기체 즉, 원자는 수백만∼수억도의 고온에서 원자핵과 전자가 분리되어 그대로의 상태로 격렬하게 운동을 하여 전기적으로는 중성인 가스 상태를 말한다.

플라즈마는 열적으로는 매우 고온의 성질을 갖으며, 전기적으로는 도체이고, 대전류를 흘릴 수 있으며, 큰 힘을 전자력에 의해 발생시킬 수 있고, 자체가 빛을 내며, 내부에 화학적으로 활성이 매우 강한 라디칼이나 이온을 많이 포함하고 있어 수억도의 온도를 갖는 초고온 핵융합에 이용되는 플라즈마로부터 반도체 공정, 신소재 합성 등에 이용되는 저온 글로우 플라즈마에 이르기까지 다양한 응용 범위를 가진다.

전술한 바와 같은 플라즈마를 이용한 질화공정은 플라즈마 방전에 의한 활성이온을 금속표면에 침투시켜 경화처리 하는 것으로, 질화공정은 금속재료를 챔버 내에 설치한 상태에서 진공 상태의 챔버를 일정한 반응온도로 가열하는 한편, 챔버에 질화용 혼합가스를 주입시키고, 금속재료에 일정한 펄스형 음전압을 인가하여 플라즈마를 발생시키는 공정에 의해 금속재료의 표면을 경화처리 하게 된다.

한편, 전술한 바와 같이 플라즈마를 이용한 피처리물의 표면에 질화알루미늄을 형성시키는 종래의 방법은 크게 물리증착법, 플라즈마 이온 주입법 및 플라즈마 질화법 등이 있다. 전술한 질화알루미늄 형성 방법 중 물리증착법에서의 스퍼터링법은 피처리물을 진공챔버에 넣고 코팅하려는 물질을 타켓으로 설치한 후 불활성가스 플라즈마내 양이온이 큰 에너지를 갖고 타켓의 표면에 충돌하면 타켓물질이 튀어나와 피처리물의 표면에 증착되는 것을 말한다. 이때, 반응가스를 흘려주는 경우 튀어나온 타켓물질과 반응가스가 반응하여 화합물이 표면에 증착되는 리액티브 스퍼터링도 있다.

플라즈마 이온주입법은 피처리물인 알루미늄 또는 알루미늄합금에 음의 큰 전압(수십∼수백 KV)을 인가하여 그 주위에 질소 플라즈마가 형성되도록 하는 한편, 플라즈마 내에 존재하는 질소 양이온이 큰 음전압에 의해 큰 에너지를 갖는 상태에서 피처리물 쪽으로 가속 충돌되어 알루미늄 또는 알루미늄합금 내부로 침투되도록 함으로써 질화알루미늄층이 형성되도록 하는 기술이다.

그리고, 플라즈마 질화법은 진공챔버 내에서 알루미늄 또는 알루미늄합금의 주위에 질소와 수소가 혼합된 플라즈마를 형성시키는 한편, 알루미늄 또는 알루미늄합금 표면의 알루미늄과 질소를 반응시켜 질화알루미늄층이 형성되도록 하는 기술이다.

그러나, 전술한 바와 같이 알루미늄 또는 알루미늄합금 표면에 질화알루미늄을 형성시키는 종래의 방법 중 스퍼터링법의 기술은 피처리물(주로 실리콘 웨이퍼)의 표면에 질화알루미늄을 코팅하는 기술이기 때문에 코팅 처리전 피처리물의 표면 세정이 필요할 뿐만 아니라, 형성되는 질화알루미늄의 두께가 얇고, 두께가 증가되면 질화알루미늄 박막의 잔류응력이 크게되어 박리되는 문제점이 있다. 또한, 스퍼터링 방법으로는 형상이 복잡한 3차원 형태의 피처리물에 균일한 두께의 질화알루미늄층을 형성하는데는 곤란한 문제가 있다.

한편, 플라즈마 이온주입법에 의해 형성되는 질화알루미늄층의 두께는 플라즈마로부터 큰 에너지를 갖고 알루미늄 또는 알루미늄합금 내부로 침투되는 질소 이온의 대부분이 표면으로부터 1000Å에서 수천Å의 영역에 존재하기 때문에 1미크론 이내로 제한되는 문제점이 있다. 또한, 알루미늄 또는 알루미늄합금의 표면에서 수백Å 까지는 주입된 질소의 농도가 낮아 질화알루미늄이 형성되지 않고 산화알루미늄, 질화되지 않은 알루미늄 또는 알루미늄합금 상태로 존재하기 때문에 표면에서 질화알루미늄의 특성을 얻을 수 없는 문제가 있다.

플라즈마 질화법을 이용하여 피처리물의 표면에 질화알루미늄층을 형성하는 경우 알루미늄 또는 알루미늄합금의 표면에 형성되어 있는 산화알루미늄층이 질소의 확산을 차단하여 질소와 알루미늄의 반응이 이루어지지 못하게 하기 때문에 산화알루미늄층의 제거가 반드시 필요한 문제가 있다. 또한, 산화알루미늄층이 제거되었을지라도 알루미늄 또는 알루미늄합금과 산소의 반응이 알루미늄 또는 알루미늄합금과 질소의 반응에 비하여 10배 이상의 높은 반응성을 갖기 때문에 질화반응 중 존재하는 산소에 의하여 다시 산화알루미늄층이 형성되어 질화알루미늄의 형성이 불가능하게 되는 문제가 있다. 따라서, 질화알루미늄 형성시 반응챔버 내에 존재하는 산소와 수분의 양을 최소로 하기 위하여 초기 진공도를 높여야 하고, 챔버 내에 고가의 산소흡착물질(Oxygen getter material)을 설치하거나 가스라인에 필터를 설치하여 초고순도의 가스를 사용해야 하기 때문에 장치의 비용이 높고 공정이 까다로운 문제가 발생하게 된다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 알루미늄 또는 알루미늄합금의 표면에 형성되어 있는 산화알루미늄층{자연산화알루미늄(Al₂O₃)} 또는 질화되지 않은 알루미늄 소재층이 질화알루미늄의 형성을 억제하는 문제를 해결함은 물론, 표면 접착력이 우수하고, 알루미늄 또는 알루미늄합금의 표면에서 내부로 수 미크론 이상의 두께를 갖는 질화알루미늄층을 형성시킬 수 있도록 하는 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성 방법 및 그 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 처리장치를 보인 구성도.

도 2a 는 본 발명에 따른 질화알루미늄 처리장치의 플라즈마 이온주입에 의해 알루미늄 또는 알루미늄합금의 내부에 질화알루미늄층이 형성되는 것을 보인 모식도.

도 2b 는 본 발명에 따른 질화알루미늄 처리장치에서 불활성가스 플라즈마에 의한 산화알루미늄층 및 질화되지 않은 알루미늄 소재층의 제거 모식도.

도 2c 는 본 발명에 따른 질화알루미늄 처리장치에서 질소 플라즈마에 의한 알루미늄 또는 알루미늄합금의 내부에 형성되어 있는 질화알루미늄층의 확산성장을 보인 모식도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

1. 시료(알루미늄 또는 알루미늄합금) 3. 산화알루미늄층

5. 질화되지 않은 알루미늄 소재층 7. 질화알루미늄층

10. 챔버 12. 음극판

14. 음극판 지지폴 20. 진공펌프

22. 파이프 24. 압력계

26. 압력조절밸브 30. 열선

40. 가스공급장치 42. 가스 주입관

50. 음극전극

52. 고전압 펄스직류전원 공급장치

54. 저전압 펄스직류전원 공급장치

56. 음극전원 교체스위치 60. 직접접촉식 온도계

62. 온도측정장치 70. rf전원 공급부

72. rf전원 조절부 74. rf안테나

76. rf전극

본 발명의 상세한 설명에서 기술할 피처리물의 대상물인 "시료"는 "알루미늄 또는 알루미늄합금"을 말하고, "질화되지 않은 알루미늄 소재층" 역시 "알루미늄 또는 알루미늄합금"을 말한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성 방법은 진공상태의 챔버 내에 질소가스의 주입과 수십 KV 이상의 펄스형 음전압을 인가하여 질소 플라즈마에 의한 질소이온을 시료의 내부에 주입시켜 질화알루미늄층을 형성시키는 한편, 불활성가스의 주입과 수 KV 이하의 펄스형 음전압을 인가하여 불활성가스 플라즈마에 의한 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용으로 시료의 산화알루미늄층과 질화되지 않은 알루미늄 소재층을 제거한 후, 질소가스의 주입과 수 KV 이하의 펄스형 음전압을 인가하여 시료의 내부에 형성된 질화알루미늄층을 성장시키는 구성으로 이루어진 특징이 있다.

즉, 본 발명에 따른 질화알루미늄 형성 방법은 질소 플라즈마에 의한 플라즈마 이온주입, 불활성가스 플라즈마에 의한 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용 및 질소 플라즈마에 의한 질화를 통해 시료의 내부에 질화알루미늄층을 형성시키는 구성으로 이루어진다.

한편, 전술한 바와 같은 시료의 질화알루미늄 형성 방법에는 질화알루미늄층 성장 공정에서 시료에 수 KV의 펄스형 음전압의 인가와 함께 챔버 내에 rf 플라즈마 발생을 가능하게 하는 rf전원을 인가하여 챔버 내부의 플라즈마 밀도를 높이는 한편, 보다 많은 이온과 활성화된 중성 질소입자와 질소 라디칼을 형성시켜 시료 표면과 질소이온의 반응작용을 증대시키는 공정이 더 추가될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 양호한 실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성 방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 질화알루미늄 형성 방법에 대해 설명하면, 본 발명은 크게 질소 플라즈마에 의한 질소이온을 시료의 내부에 주입하는 공정, 불활성가스 플라즈마에 의한 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용으로 시료 표면에 존재하는 산화알루미늄층과 질화되지 않은 알루미늄 소재층을 제거하는 공정 및 질소 플라즈마에 의한 질화를 통해 질화알루미늄층을 성장시키는 공정으로 이루어진다.

전술한 공정을 더욱 세분화하여 설명하면 다음과 같다. 먼저, 시료의 내부에 질화알루미늄층을 형성시키기 위한 공정은 챔버 내에 시료를 설치하여 챔버 내부를 진공상태로 만드는 공정, 진공상태의 챔버 내부에 질소가스를 주입하는 공정, 질소가 주입된 챔버 내부의 시료에 수십 KV 이상의 펄스형 음전압을 인가하여 시료의 주위에 질소 플라즈마가 형성되도록 하는 한편, 질소 플라즈마에 의한 질소이온이 시료의 내부에 주입되도록 하여 질화알루미늄층을 형성시키는 공정으로 이루어진다.

시료의 내부에 질화알루미늄층을 형성시킨 상태에서 시료 표면의 산화알루미늄층과 질화되지 않은 알루미늄 소재층을 제거하기 위한 공정은 질화알루미늄층 형성 공정에서 인가된 전압을 차단시킨 상태에서 챔버 내부의 가스를 배출시켜 진공상태로 만든 후 진공상태의 챔버 내부에 불활성가스를 주입하고 챔버의 가열을 통해 시료의 온도를 수백도가 되도록 승온시키는 공정, 시료의 온도를 승온시키는 상태에서 수 KV 이하의 펄스형 음전압을 인가하여 시료의 주위에 불활성가스 플라즈마를 형성시키는 한편 불활성가스 플라즈마에 의한 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용에 의해 시료의 표면에 존재하는 산화알루미늄층과 질화되지 않은 알루미늄 소재층을 제거하여 질화알루미늄층이 노출되도록 하는 공정으로 이루어진다.

한편, 시료 내부에 형성된 질화알루미늄층을 성장시키기 위한 질화 공정은 시료 내부의 질화알루미늄층이 노출된 상태에서 시료에 인가된 펄스형 음전압을 차단한 후 챔버 내의 가스를 배출시켜 진공상태로 만든 후 질소가스를 주입하고 가열하여 시료의 온도를 플라즈마 질화 온도가 되도록 하는 공정, 시료에 수 KV 이하의 펄스형 음전압을 인가하여 시료의 주위에 질소 플라즈마를 형성시키고 이 질소 플라즈마에 의한 질소원자의 확산으로 시료의 내부에 형성된 질화알루미늄층을 성장시키는 공정, 시료의 내부에 형성된 질화알루미늄층을 원하는 두께까지 성장시킨 후 시료에 인가된 펄스형 음전압을 차단한 후 챔버의 내부를 진공으로 만드는 공정 및 챔버의 내부에 질소가스를 주입하여 시료를 냉각시키는 공정으로 이루어진다.

전술한 바와 같은 공정으로 이루어지는 질화알루미늄 형성 방법은 시료의 내부에 질화알루미늄층을 형성시키기 위한 플라즈마 이온주입 공정, 시료의 내부에 질화알루미늄층을 형성시킨 상태에서 시료 표면의 산화알루미늄층과 질화되지 않은 알루미늄 소재층을 제거하기 위한 불활성가스 이온에 의한 스퍼터링 작용 공정 및 시료 내부에 형성된 질화알루미늄층을 성장시키기 위한 플라즈마 질화 공정을 연속적이고 또한 순차적으로 진행시켜 시료 내부에 질화알루미늄층을 형성시키게 된다.

즉, 본 발명은 플라즈마 이온주입과 플라즈마 이온질화를 순차적으로 진행시켜 시료의 표면에 존재하는 산화알루미늄층 또는 질화되지 않은 알루미늄 소재층의 영향을 받지 않으면서 접착력이 우수한 질화알루미늄층을 시료의 내부에 형성하는 기술로, 먼저 플라즈마 이온주입에 의해 산화알루미늄층의 존재와 무관하게 수천Å 두께의 안정된 질화알루미늄층을 시료의 내부에 형성시킨다. 이때, 시료의 표면에는 산화알루미늄층과 질화되지 않은 알루미늄 소재층이 약 1000Å 이내로 존재하게 된다.

플라즈마 이온주입에 의한 질화알루미늄층의 형성 후 불활성가스 플라즈마를 이용하여 시료의 표면으로부터 약 1000Å 정도를 스퍼터링하게 되면 시료 표면에 존재하는 산화알루미늄층과 질화되지 않은 알루미늄 소재층이 제거되어 안정된 질화알루미늄층이 노출된다.

질화알루미늄층이 노출된 상태에서 질소가스 플라즈마를 형성하여 질화를 진행하게 되면 시료의 내부로 질소이온이 원활하게 침투되고, 이에 따라 질화알루미늄층이 수 미크론 이상의 두께로 계속 성장하게 된다. 이때, 시료 표면은 모두 안정한 질화알루미늄으로 존재하기 때문에 질화공정 중에 존재하는 산소 및 수분에 의한 산화알루미늄층은 형성되지 않는다. 즉, 시료 표면이 안정한 질화알루미늄으로 존재하기 때문에 산소 및 수분과 반응하여 산화알루미늄층을 형성하기 위한 금속성알루미늄이 존재하지 않기 때문에 질화공정 중에 존재하는 산소 및 수분에 의한 산화알루미늄층이 형성되지 않는다. 또한, 형성되는 질화알루미늄층이 질소원자의 확산에 의해 시료의 내부로 침투되므로 코팅과는 달리 모재(시료 즉, 알루미늄 또는 알루미늄합금을 말함)와 강한 결합력을 갖기 때문에 우수한 접착력을 갖는다.

전술한 바와 같은 연속적이고 순차적인 질화알루미늄 형성 공정의 진행, 반응 및 작용을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다. 먼저, 챔버 내부에 질화 처리할 대상물인 시료를 설치한 상태에서 챔버 내부를 진공상태로 만든 후 진공상태의 챔버 내부에 질소가스를 주입하고, 시료에 20 KV 이상의 펄스형 음전압을 인가하여 시료의 주위에 질소 플라즈마를 형성시킨다.

이처럼 시료의 주위에 질소 플라즈마가 형성됨에 따라 질소 플라즈마 내에 존재하는 질소 양이온이 큰 음전압에 의해 큰 에너지를 갖는 상태에서 시료 쪽으로 가속 충돌되어 시료의 내부로 침투되어 질화알루미늄층을 형성하게 된다. 이때, 질소이온 주입시 시료에 20 KV 이상의 고전압을 가하는 공정에 추가로 rf 플라즈마를 동시에 형성하여 진행할 수 있다.

시료에 20 KV 이상의 고전압을 인가하는 이유는 질소 플라즈마를 시료의 주위에 형성시킴은 물론, 질소이온을 시료의 표면에 주입시키기 위한 것이다. 즉, 질소이온을 시료의 내부에 주입시키기 위해서는 플라즈마 내에 존재하는 질소 양이온이 큰 에너지를 갖는 상태에서 가속되어야 하기 때문이다. 한편, 플라즈마 이온주입시 사용하는 가스는 질소가스 이외에 경우에 따라서 암모니아(NH₃) 가스를 사용할 수도 있다.

시료의 내부에 질화알루미늄층을 형성시키는 공정에서 질소 플라즈마의 형성 압력, 인가되는 전압의 세기 및 인가되는 전압의 펄스비 등을 조절함으로써 주입되는 질소이온의 침투깊이 및 질소이온의 농도 등을 조절할 수 있다.

시료의 내부에 질화알루미늄층을 형성시킨 후 시료에 인가된 전압을 차단한 상태에서 챔버 내부의 가스를 배출시켜 진공상태로 만든 후 불활성가스를 주입시키고 가열하여 시료의 온도를 승온시키는 한편, rf 플라즈마를 형성하고 시료에 수 KV 이하의 펄스형 음전압을 인가하여 시료의 주위에 불활성가스 플라즈마를 형성시킨다. 이때, 시료의 온도는 300∼500℃ 정도로 승온시킨다.

이처럼 시료의 주위에 불활성가스 플라즈마가 형성됨에 따라 불활성가스 플라즈마에 의한 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용에 의해 시료 표면에 존재하는 산화알루미늄층과 질화되지 않은 알루미늄 소재층은 제거된다. 따라서, 시료 표면에 존재하는 산화알루미늄층과 질화되지 않은 알루미늄 소재층이 제거됨으로써 시료 내부의 질화알루미늄층이 노출되어진다. 불활성가스로는 헬륨(He), 아르곤(Ar), 네온(Ne) 및 크세논(Xe) 가스를 단독으로 사용하거나 혼합하여 사용한다.

한편, 시료의 표면에 존재하는 산화알루미늄층 및 질화되지 않은 알루미늄 소재층의 제거 공정시 불활성가스 플라즈마의 형성 압력, 인가되는 전압의 세기 및 인가되는 전압의 펄스비를 조절하여 산화알루미늄층 및 질화되지 않은 알루미늄 소재층의 제거 속도 및 표면 조도를 조절하게 된다.

시료 표면에 존재하는 산화알루미늄층과 질화되지 않은 알루미늄 소재층을 제거하여 질화알루미늄층을 노출시킨 후 시료에 인가된 전압을 차단시킨 상태에서 챔버 내부의 가스를 배출시켜 진공상태로 만들고, 진공상태의 챔버 내부에 질소가스(질소가스 이외에 경우에 따라서 암모니아(NH₃) 가스를 사용할 수도 있다)를 주입하여 가열하는 한편, 시료에 수 KV 이하의 펄스형 음전압을 인가하여 시료 주위에 질소 플라즈마를 형성시킨다. 이때, 시료의 가열온도는 플라즈마 질화 온도(300∼500℃ 정도)가 되도록 가열한다.

이처럼 수 KV 이하의 펄스형 음전압을 인가하여 시료 주위에 질소 플라즈마를 형성시킴으로써 질소 플라즈마에 의한 질소원자의 확산으로 시료 내부에 형성된 질화알루미늄층은 지속적으로 성장하게 된다.

시료의 내부에 형성된 질화알루미늄층을 성장시키는 공정에서 질소 플라즈마의 형성 압력, 인가되는 전압의 세기 및 인가되는 전압의 펄스비 등을 조절함으로써 질소원자의 확산에 의해 성장되는 질화알루미늄층의 성장속도 및 구조 등을 조절할 수 있다.

전술한 공정에서 질화용 가스로는 질소가스 이외에 질소와 수소의 혼합가스를 사용할 수도 있다.

한편, 시료 내부의 질화알루미늄층을 일정 두께까지 성장시킨 후 시료에 인가된 전압을 차단시킨 상태에서 챔버 내부를 진공상태로 만든 후 질소가스를 주입하여 시료를 냉각시키면, 시료의 표면에 질화알루미늄층이 형성된 제품을 얻을 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 질화알루미늄 형성 방법은 질소 플라즈마에 의한 질소이온의 주입 공정, 불활성가스 플라즈마에 의한 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용 공정 및 질소 플라즈마에 의한 플라즈마 질화 공정을 연속적이고 순차적으로 진행시켜 질화알루미늄층의 형성, 산화알루미늄층 또는 이물질의 제거 및 질화알루미늄층의 성장을 통해 산화알루미늄층이 질화알루미늄의 형성을 억제하는 문제를 해결함은 물론, 표면 접착력이 우수하고, 시료의 표면으로부터 내부로 일정 두께를 갖는 질화알루미늄층을 형성시킨 제품을 얻을 수 있다.

한편, 전술한 시료의 온도를 승온시키는 공정에는 시료의 온도를 측정하는 공정이 더 부가될 수 있다.

또한, 전술한 바와 같은 공정에 질화알루미늄층 성장 공정에서의 전압의 인가와 함께 챔버 내에 rf 플라즈마 발생을 가능하게 하는 rf전원을 인가하여 시료 표면과 질소이온의 반응작용을 증대시키는 공정이 더 추가될 수 있다. 한편, rf 플라즈마 발생을 가능하게 하는 rf전원은 이온주입 공정, 스퍼터링 공정에서도 전압의 인가와 함께 병행하여 인가할 수 있다.

이처럼 rf 플라즈마 발생을 가능하게 하는 rf전원을 인가함으로써 챔버 내부의 플라즈마 밀도를 높여 보다 많은 이온과 활성화된 중성 질소입자와 질소 라디칼을 형성시킬 수가 있다. 이에 따라 시료 표면과 질소이온의 반응작용이 증대되어 시료 내부에 형성된 질화알루미늄층을 일정깊이 이상 더 성장시킬 수가 있게 된다.

전술한 바와 같은 rf 플라즈마 발생을 가능하게 하는 rf전원을 인가함으로써 시료의 표면으로부터 내부로 수 미크론 두께의 질화알루미늄층을 지속적으로 성장시킬 수가 있어 원하는 두께만큼 형성된 질화알루미늄 제품을 얻을 수 있다.

즉, 전술한 바와 같은 실시예 이외에 질화알루미늄층을 형성시키기 위한 방법은 챔버 내에 시료를 설치하여 챔버 내부를 진공상태로 만드는 공정, 진공상태의 챔버 내부에 질소가스를 주입하는 공정, 질소가 주입된 챔버 내부의 시료에 수십 KV 이상의 펄스형 음전압을 인가하여 시료의 주위에 질소 플라즈마가 형성되도록 하는 한편 질소 플라즈마에 의한 질소이온이 시료의 내부에 주입되도록 하여 질화알루미늄층을 형성시키는 공정, 질화알루미늄층 형성 공정에서 인가된 전압을 차단시킨 상태에서 챔버 내부의 가스를 배출시켜 진공상태로 만든 후 진공상태의 챔버 내부에 불활성가스를 주입하고 챔버의 가열을 통해 시료의 온도를 수백도가 되도록 승온시키는 공정, 시료의 온도를 승온시키는 상태에서 rf 플라즈마를 형성하고 수 KV 이하의 펄스형 음전압을 인가하여 시료의 주위에 불활성가스 플라즈마를 형성시키는 한편 불활성가스 플라즈마에 의한 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용에 의해 시료의 표면에 존재하는 산화알루미늄층과 질화되지 않은 알루미늄 소재층을 제거하여 질화알루미늄층이 노출되도록 하는 공정, 질화알루미늄층이 노출된 상태에서 시료에 인가된 펄스형 음전압을 차단한 후 챔버 내의 가스를 배출시켜 진공상태로 만든 후 질소가스를 주입하고 가열하여 시료의 온도를 플라즈마 질화 온도가 되도록 하는 공정, 시료에 수 KV 이하의 펄스형 음전압을 인가하여 시료의 주위에 질소 플라즈마를 형성시키고 이 질소 플라즈마에 의한 질소원자의 확산으로 시료의 내부에 형성된 질화알루미늄층을 성장시키는 공정, 질화알루미늄층 성장 공정의 전압의 인가와 함께 챔버 내에 rf 플라즈마 발생을 가능하게 하는 rf전원을 인가하여 시료 표면과 질소이온의 반응작용을 증대시키는 공정, 시료의 내부에 형성된 질화알루미늄층을 원하는 두께까지 성장시킨 후 시료에 인가된 펄스형 음전압과 rf전원을 차단한 후 챔버의 내부를 진공으로 만드는 공정 및 챔버의 내부에 질소가스를 주입하여 시료를 냉각시키는 공정으로 이루어진다.

이와 같은 구성의 질화알루미늄 형성 방법에서도 역시 시료의 온도를 승온시키는 공정에는 시료의 온도를 측정하는 공정이 더 부가될 수 있다. 이때, 시료의 온도를 측정하는 방법으로는 온도측정 수단을 시료에 직접 접촉시켜 시료의 온도를 측정하는 방법이 적당하다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시 예에 따른 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성 방법 및 그 장치에 대해 상세히 설명한다.

도 1 은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 처리장치를 보인 구성도, 도 2a 는 본 발명에 따른 질화알루미늄 처리장치의 플라즈마 이온주입에 의해 알루미늄 또는 알루미늄합금의 내부에 질화알루미늄층이 형성되는 것을 보인 모식도, 도 2b 는 본 발명에 따른 질화알루미늄 처리장치에서 불활성가스 플라즈마에 의한 산화알루미늄층 및 질화되지 않은 알루미늄 소재층의 제거 모식도, 도 2c 는 본 발명에 따른 질화알루미늄 처리장치에서 질소 플라즈마에 의한 알루미늄 또는 알루미늄합금의 내부에 형성되어 있는 질화알루미늄층의 확산성장을 보인 모식도이다.

도 1 내지 도 2c 에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성 방법을 구현하기 위한 장치는 시료(1)를 이온질화 반응시키는 챔버(10), 챔버(10)내부에 설치되어 시료(1)를 지지하는 음극판(12), 챔버(10)의 내부에 설치되어 음극판(12)을 지지하는 음극판 지지폴(14), 챔버(10)의 내부를 진공으로 만드는 수단, 챔버(10) 내부의 반응온도를 승온시키는 수단, 반응가스를 챔버(10)의 내부에 주입시키는 수단, 시료(1)에 전압을 인가하는 수단, rf 플라즈마 발생을 가능하게 하는 수단으로 이루어진다.

전술한 구성을 더욱 상세히 설명하면 먼저, 전술한 챔버(10)는 시료(1)를 그 내부에 설치하여 이온질화 반응시키기 위한 것으로, 이 챔버(10)의 내부에는 시료(1)를 질화 반응시키기 위한 질화용 가스, 스퍼터링 작용을 하기 위한 불활성가스 및 시료(1)를 냉각시키기 위한 냉각용 가스가 유입된다. 이때, 챔버(10)의 내부는 열처리 공정 및 냉각 공정을 진행할 때 진공상태이어야 한다.

음극판(12)은 챔버(10)의 내부에 설치되어 시료(1)를 지지함은 물론, 후술할 전압 인가수단과 전기적으로 연결된다.

음극판 지지폴(14)은 음극판(12)을 지지함은 물론, 후술할 전압 인가수단과 음극판(12)을 전기적으로 서로 연결시켜 준다.

챔버(10)의 진공수단은 챔버(10)의 내부를 진공상태로 만들기 위한 것으로, 이 챔버(10)의 진공수단은 챔버(10)의 내부를 진공으로 만들기 위한 진공펌프(20), 진공펌프(20)와 챔버(10)를 연결하는 파이프(22), 챔버(10)의 내부압력을 측정하는 압력계(24) 및 챔버(10) 내부의 압력을 조절하는 압력조절밸브(26)로 이루어진다.

챔버(10) 내부의 반응온도를 승온시키는 수단은 챔버(10)의 내부에 주입된 가스를 플라즈마 상태의 온도가 되도록 가열하기 위한 것으로, 이 챔버(10) 내부의 반응온도 승온수단은 챔버(10)의 주위에 열선(30)을 설치하여 챔버(10) 내부의 반응온도를 승온시키게 된다.

반응가스를 챔버(10)의 내부에 주입시키는 수단은 플라즈마 이온주입, 스퍼터링 작용, 플라즈마 질화 및 시료(1)의 냉각시 주입되는 질화용 가스, 불활성가스 및 냉각용 가스를 주입시키기 위한 것이다. 이러한 반응가스 주입수단은 가스공급장치(40) 및 가스공급장치(40)로부터 주입된 가스를 챔버(10)의 내부에 주입시키는 가스 주입관(42)으로 이루어진다. 한편, 가스주입장치(40)에는 각각의 가스 즉, 질화용 가스, 불활성가스 및 냉각용 가스를 저장하기 위한 가스 저장탱크(도시하지 않음)가 다수 구비된다.

시료(1)에 전압을 인가하는 수단은 플라즈마 이온주입 공정, 불활성가스 이온에 의한 스퍼터링 작용 및 플라즈마 질화시 이를 가능하게 하기 위한 전압을 시료(1)에 인가하기 위한 것이다.

즉, 플라즈마 이온주입 공정시 20 KV 이상의 펄스형 음전압을 인가하면 음극판 지지폴(14)과 음극판(12)을 통해 시료(1)에 전압이 인가되어 시료(1)의 주위에 질소 플라즈마가 형성되고, 이에 따라 질소 플라즈마에 의한 질소이온이 시료의 내부에 주입되어 질화알루미늄층(7)을 형성하게 된다. 이때, 20 KV 이상의 펄스형 음전압을 인가할시 rf 플라즈마를 동시에 형성하여 진행할 수 있다.

시료(1)의 표면에 존재하는 산화알루미늄층(3) 및 질화되지 않은 알루미늄 소재층(5)을 제거하는 공정시 수 KV 이하의 펄스형 음전압을 인가(이때, 필요시 rf 플라즈마를 같이 이용할 수 있다)하면 음극판 지지폴(14)과 음극판(12)을 통해 시료(1)에 전압이 인가되어 시료(1)의 주위에 불활성가스 플라즈마가 형성되고, 이에 따라 불활성가스 플라즈마에 의한 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용에 의해 시료(1)의 표면에 존재하는 산화알루미늄층(3) 및 질화되지 않은 알루미늄 소재층(5)이 제거된다.

그리고, 플라즈마 질화 공정시 수 KV 이하의 펄스형 음전압을 인가하면 음극판 지지폴(14)과 음극판(12)을 통해 시료(1)에 전압이 인가되어 시료(1)의 주위에 질소 플라즈마가 형성되고, 이에 따라 질소 플라즈마에 의한 질소이온의 질화작용에 의해 시료(1)의 내부에 형성된 질화알루미늄층(7)이 성장하게 된다.

한편, 전술한 바와 같은 공정시 전압을 인가하기 위한 수단은 음극판(12)에 전기적으로 연결된 음극전극(50), 음극전극(50)에 전기적으로 연결되어 고전압의 펄스직류전원을 공급하는 고전압 펄스직류전원 공급장치(52), 음극전극(50)에 전기적으로 연결되어 저전압의 펄스직류전원을 공급하는 저전압 펄스직류전원 공급장치(54) 및 고전압 펄스직류전원 공급장치(52)와 저전압 펄스직류전원 공급장치(54)의 전원을 고전압에서 저전압으로, 저전압에서 고전압으로 전환시키는 음극전원 교체스위치(56)로 이루어진다. 이때, 고전압 펄스직류전원 공급장치(52)와 저전압 펄스직류전원 공급장치(54)는 하나의 음극전극(50)을 사용한다.

이처럼 구성된 전압 인가수단은 시료(1) 주위에 형성되는 질소 플라즈마에 의한 질소이온을 주입시켜 시료(1)의 내부에 질화알루미늄층(7)을 형성시키는 경우 시료(1)에 인가되는 20 KV 이상의 펄스형 음전압은 고전압 펄스직류전원 공급장치(52)에 의해 인가된다.

시료(1) 주위에 형성되는 불활성가스 플라즈마에 의한 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용에 의해 시료(1)의 표면에 존재하는 산화알루미늄층(3) 및 질화되지 않은 알루미늄 소재층(5)을 제거하는 경우 시료(1)에 인가되는 수 KV 이하의 펄스형 음전압은 저전압 펄스직류전원 공급장치(54)에 의해 인가된다. 따라서, 이온주입 공정을 진행한 후 스퍼터링 공정을 진행시킬시 음극전원 교체스위치(56)에 의해 고전압에서 저전압으로 음극전원이 교체된다.

시료(1) 주위에 형성되는 질소 플라즈마에 의한 질소이온을 확산시켜 시료(1)의 내부에 형성된 질화알루미늄층(7)을 성장시키는 경우 시료(1)에 인가되는 수 KV 이하의 펄스형 음전압은 저전압 펄스직류전원 공급장치(54)에 의해 인가된다.

한편, 전술한 바와 같은 질화알루미늄 형성 장치의 구성에 더하여 시료(1)의 온도를 측정하는 수단과 rf전원을 인가하여 rf 플라즈마 발생을 가능하게 하는 수단이 더 구성될 수 있다. 시료(1)의 온도 측정수단은 챔버(10)의 내부에 설치된 시료(1)에 직접 접촉되는 직접접촉식 온도계(60) 및 직접접촉식 온도계(60)와 전기적으로 연결되어 직접접촉식 온도계(60)에 의해 측정된 시료(1)의 온도를 작업자가 시각적으로 인지할 수 있도록 디스플레이 해주는 온도측정장치(62)로 이루어진다.

rf전원을 인가하여 rf 플라즈마 발생을 가능하게 하는 수단은 시료(1)의 표면과 질소이온의 반응작용을 증대시키기 위한 것으로, 이러한 rf 플라즈마 발생을 가능하게 하는 rf전원을 시료(1)에 인가함으로써 챔버(10) 내부의 플라즈마 밀도를 높여 보다 많은 이온과 활성화된 중성 질소입자와 질소 라디칼을 형성시킬 수가 있다. 이에 따라, 시료(1) 표면과 질소이온의 반응작용이 증대되어 시료(1) 내부에 형성된 질화알루미늄층(7)을 일정깊이 이상 더 성장시킬 수가 있다.

rf 플라즈마 발생을 가능하게 하는 수단은 rf전원을 인가하는 rf전원 공급부(70), rf전원 공급부(70)로부터 인가된 rf전원을 일정하게 유지하고 조절하는 rf전원 조절부(72), 챔버(10)의 내부에 설치되어 rf전원 공급부(70)로부터 인가된 rf전원을 rf 플라즈마 형태로 발생시키는 rf안테나(74) 및 rf전원 조절부(72)와 rf안테나(74)를 연결하는 rf전극(76)으로 이루어진다. 이처럼 구성된 rf 플라즈마 발생을 가능하게 하는 수단에 의해 인가되는 rf전원은 시료(1)의 내부에 형성된 질화알루미늄층(7)을 성장시킬시 인가되는 저전압 펄스직류전원 공급장치(54)에 의한 저전압의 펄스형 음전압과 동시 또는 시차를 두고 인가된다. 또한, rf 플라즈마 발생을 가능하게 하는 수단에 의해 인가되는 rf전원은 이온주입 및 스퍼터링시 인가되는 고전압 및 저전압 펄스직류전원 공급장치(52, 54)에 의한 고전압 및 저전압의 펄스형 음전압과 동시 또는 시차를 두고 인가된다.

전술한 바와 같이 구성된 질화알루미늄층(7)을 형성시키기 위한 본 발명의 장치는 도 1 에 도시된 바와 같이 플라즈마 이온주입, 플라즈마 질화 및 rf 플라즈마를 형성시키기 위한 진공챔버 시스템에서 다음에 설명할 공정을 연속적이고 순차적으로 진행시켜 시료(1)의 내부에 질화알루미늄층(7)을 형성시키게 된다.

먼저, 질화알루미늄층(7)을 형성시키고자 하는 시료(1; 알루미늄 또는 알루미늄합금)를 챔버(10) 내의 음극판(12)에 위치시킨 상태에서 진공펌프(20)를 구동시켜 챔버(10) 내의 공기를 뽑아내어 챔버(10)를 진공상태로 만든다.

진공상태의 챔버(10) 내에 질화용 가스인 질소가스 또는 질소와 수소의 혼합가스를 가스공급장치(40)와 가스 주입관(42)을 통해 주입한다.

챔버(10) 내에 질화용 가스가 주입된 상태에서 음극전원 교체스위치(56)를 통해 고전압 펄스직류전원 공급장치(52)가 음극판 지지폴(14)에 연결되도록 하여 20 KV 이상의 펄스형 음전압을 인가한다. 이처럼 시료(1)에 20 KV 이상의 펄스형 음전압을 인가함으로써 시료(1)의 주위에는 질소 플라즈마가 형성되고, 시료(1)의 주위에 질소 플라즈마가 형성됨에 따라 질소 플라즈마에 의한 질소이온이 시료(1)의 내부에 주입되어 질화알루미늄층(7)이 형성된다.

시료(1)의 내부에 질화알루미늄층(7)을 형성시키는 과정에서 질소 플라즈마의 형성 압력, 인가되는 전압의 세기 및 인가되는 전압의 펄스비 등을 조절함으로써 주입되는 질소이온의 침투깊이 및 질소이온의 농도 등을 조절할 수 있다.

한편, 시료(1)에 일정시간 동안 질소이온의 주입을 진행하여 시료(1)의 표면에 존재하는 산화알루미늄층(3)을 지나 시료(1) 내부에 질화알루미늄층(7)을 형성시킨다. 이처럼 일정시간 동안 이온주입을 진행하게 되면 도 2a 에서와 같이 시료(1)의 표면으로부터 약 1000∼수천 Å 두께의 질화알루미늄층(7)이 형성된다. 이때, 시료(1)의 온도는 시료(1)의 표면에 설치한 직접접촉식 온도계(60)를 통해 측정한다.

시료(1)의 내부에 질화알루미늄층(7)을 일정두께 형성시킨 후 음극판(12)에 인가되는 전압을 차단시킨 상태에서 챔버(10) 내의 가스를 배출시켜 진공상태로 만들고, 가스 주입관(42)을 통해 불활성가스(He, Ar, Ne 및 Xe 등의 단일가스 또는 혼합가스)를 주입하는 한편, 챔버(10)의 주위에 설치된 열선(30)을 통해 시료(1)의 온도가 수백도(약 300∼500℃)가 되도록 승온시킨다. 이때, 불활성가스를 주입한 후 음극전원 교체스위치(56)를 통해 고전압 펄스직류전원 공급장치(52)를 저전압 펄스직류전원 공급장치(54)로 전환시켜 저전압 펄스직류전원 공급장치(54)를 음극판 지지폴(14)에 연결되도록 한다.

전술한 바와 같이 음극전원 교체스위치(56)를 통해 저전압 펄스직류전원 공급장치(54)를 음극판 지지폴(14)에 연결되도록 한 후 시료(1)의 온도를 수백도로 승온시키고 rf 플라즈마의 형성하여 음극판(12)에 수 KV 이하의 펄스형 음전압을 인가하여 도 2b 에 도시된 바와 같이 시료(1) 주위에 불활성가스 플라즈마를 형성시키고, 이 불활성가스 플라즈마에 의한 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용을 통해 시료(1) 표면에 존재하는 산화알루미늄층(3) 및 질화되지 않은 알루미늄 소재층(5)을 제거하는 한편, 질화알루미늄층(7)이 노출되도록 한다. 이때, 불활성가스 플라즈마의 형성 압력, 인가되는 전압의 세기 및 인가되는 전압의 펄스비 등을 조절하여 산화알루미늄층(3) 등의 제거 속도 및 표면 조도를 조절하게 된다.

시료(1) 내부의 질화알루미늄층(7)이 노출되도록 한 후 음극판(12)에 인가되는 전압을 차단하고, 챔버(10) 내의 가스를 펌핑하여 진공으로 만든 후 가스 주입관(42)을 통해 질소가스 또는 질소와 수소의 혼합가스를 주입함과 동시에 챔버(10)의 주위에 설치된 열선(30)을 통해 챔버를 가열하여 시료(1)의 온도를 플라즈마 질화 온도(300∼500℃ 정도)가 되도록 승온시킨다.

전술한 바와 같은 상태에서 음극판(12)에 수 KV 이하의 전압을 인가하여 시료(1) 주위에 질소 플라즈마를 형성시킨다. 이처럼 질소 플라즈마를 시료(1)의 주위에 형성시킴으로써 도 2c 에서와 같이 질소이온의 확산에 의해 시료 내부에 형성된 질화알루미늄층(7)이 시료(1)의 내부로 더욱 성장하게 된다.

이때, 질소 플라즈마의 형성압력, 인가되는 전압의 세기 및 인가되는 전압의 펄스비를 조절하여 질소원자의 확산에 의해 형성되는 질화알루미늄층(7)의 성장속도 및 성장구조를 조절할 수 있다.

한편, 전술한 플라즈마 질화 과정에서는 기존의 플라즈마 질화와는 달리 챔버(10) 내에 존재하는 산소 및 수분을 제거하기 위한 별도의 장치 및 물질을 필요로 하지 않는다. 왜냐하면 질화알루미늄층(7) 형성 과정에서 형성된 안정한 질화알루미늄층(7)이 불활성가스 플라즈마에 의한 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용에 의해 시료(1)의 표면에 노출되었기 때문에 시료(1) 표면에 산화알루미늄층(3)이 존재하지 않으며 동시에 시료(1) 표면에 금속성 알루미늄도 존재하지 않아 플라즈마 질화 과정 중에도 산화알루미늄층(3)이 형성되지 않기 때문이다.

일정두께 이상의 질화알루미늄이 형성되면 질화알루미늄이 부도체이기 때문에 저전압 펄스직류전원 공급장치(54)만으로는 질화알루미늄층(7)을 계속 성장시킬 수 없다. 따라서, rf전원 공급부(70)를 작동하여 rf전극(76)을 통해 rf안테나(74)로 rf전원을 공급하여 시료(1) 주위에 rf 플라즈마를 형성시키는 한편, 시료(1) 내부로 질소가 지속적으로 공급될 수 있도록 하여 질화알루미늄층(7)을 계속 성장시킨다.

일정시간 동안 rf 플라즈마를 유지시켜 질화알루미늄층(7)을 원하는 두께까지 성장시킨 후 전원공급을 차단하고 챔버(10)를 진공으로 만든다.

진공상태의 챔버(10) 내부에 질소가스를 주입하여 시료(1)를 냉각시킨다.

이와 같이 본 발명은 단일의 시스템 내에서 플라즈마 이온주입, 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용에 의한 산화알루미늄층(3) 및 질화되지 않은 알루미늄 소재층(5)의 제거 및 플라즈마 질화를 연속적이고 순차적으로 진행하여 시료(1)의 내부에 질화알루미늄층(7)을 형성시킬 수가 있다. 그러나, 본 발명에서 창안된 단일 시스템이 아닌 두 개의 독립된 시스템을 이용해서도 진행할 수 있다. 예를 들면 플라즈마 이온주입 시스템을 이용하여 이온주입에 의해 내부에 질화알루미늄이 형성된 시료를 만든다. 다음으로 이 시료를 플라즈마 질화시스템에 넣은 후 스퍼터링 과정과 플라즈마 질화 과정을 진행하면 된다. 본 발명은 스퍼터링 후 플라즈마 질화를 하기 때문에 이온주입 후 대기중에 시료가 노출되어도 문제가 없다. 따라서, 반드시 전체 공정이 한 챔버에서 연속적으로 진행될 필요는 없다.

전술한 바와 같이 구성된 본 발명의 질화알루미늄 형성 장치를 정리·요약하면 다음과 같다. 시료(1)를 내부에 설치하여 이온질화 반응시키는 챔버(10), 챔버(10) 내부에 설치되어 시료(1)를 지지하는 음극판(12), 챔버(10)의 내부에 설치되어 음극판(12)을 지지하는 음극판 지지폴(140), 챔버(10)의 내부를 진공 상태로 만드는 수단, 챔버(10) 내부의 반응온도를 승온시키는 수단, 시료(1)의 질화처리를 위한 질화용 가스와 시료(1)의 산화알루미늄층(3) 또는 질화되지 않은 알루미늄 소재층(5)을 제거하기 위한 불활성가스 및 질화알루미늄층(7)이 형성된 시료(1)를 냉각시키기 위한 가스를 챔버(10) 내부로 주입시키는 수단, 음극판 지지폴(14)에 전기적으로 연결되어 시료(1)에 전압을 인가하는 한편 시료(1)의 주위에 질소 플라즈마 및 불활성가스 플라즈마를 형성시켜 질소이온에 의한 질화알루미늄층(7)의 형성과 성장 및 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용에 의한 시료(1)의 산화알루미늄층(3) 또는 질화되지 않은 알루미늄 소재층(5)을 제거시키는 수단, 시료(1)의 온도를 측정하는 수단, rf전원을 인가하여 rf 플라즈마 발생을 가능하게 하는 한편 질화알루미늄층(7)을 성장시키는 수단을 포함하여 이루어진 것으로, 시료(1)의 질화처리시 플라즈마 이온주입, 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용에 의한 시료 표면의 산화알루미늄층(3)과 질화되지 않은 알루미늄 소재층(5)의 제거 및 플라즈마 질화를 순차적으로 진행하여 시료(1)의 내부에 질화알루미늄층(7)을 형성시킨다.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 플라즈마에 의한 질화알루미늄 형성 방법 및 장치와 선행기술과의 연관성 및 차이점을 비교하면 다음과 같다.

먼저, 미국특허 4,909,861, 4,597,808 및 4,522,660 호에 개시된 기술은 플라즈마 질화에 의한 알루미늄 및 알루미늄합금에 질화알루미늄을 형성시키는 장치 및 공정으로 일반적인 강철의 플라즈마 이온질화 장치와 공정을 알루미늄 소재에 적용한 내용으로, 특이사항은 챔버 내에 존재하는 산소의 농도를 줄이기 위하여 산화제(Oxygen Getter) 물질을 사용하는 것과 초기 진공도를 증가시키는 내용에 관한 기술이다.

이러한 미국특허 4,909,861, 4,597,808 및 4,522,660 호에 개시된 기술과 본 발명과의 연관성은 본 발명에서 시료의 표면에 질화알루미늄을 형성하는 전체공정 중 질화알루미늄층의 두께를 증가시키는 플라즈마 질화 공정과 유사하다는 것이다.

그러나, 선행기술인 미국특허 4,909,861, 4,597,808 및 4,522,660 호에 개시된 기술은 질화알루미늄이 존재하지 않는 상태에서 질화알루미늄을 형성하는 기술이지만 본 발명에서는 이미 플라즈마 이온주입에 의해 형성되어 존재하는 안정한 질화알루미늄을 성장시키는 공정에서만 플라즈마 질화기술을 사용하며, 또한 선행기술은 챔버 내에 존재하는 산소가 공정에 민감한 영향을 주기 때문에 산소를 제거하기 위한 산화제 등을 사용하나, 본 발명에서는 산소가 질화알루미늄의 성장에 영향을 미치지 않으므로 산소의 존재 및 제거와 무관한 기술이다.

즉, 질화알루미늄이 형성될 때 산소의 존재에 의한 산화알루미늄의 형성이 질화알루미늄의 형성을 억제하고 형성된 산화알루미늄에 의해 질화알루미늄의 형성 및 성장이 차단되기 때문에 질화알루미늄이 형성되는 초기에 산소의 존재유무가 매우 중요하다. 그러나, 이미 플라즈마 이온주입에 의해 안정한 질화알루미늄층을 형성시킨 후 지속적인 성장을 시키는 경우 안정한 질화알루미늄층이 알루미늄과 산소와의 반응을 차단시키기 때문에 산소의 존재가 질화알루미늄의 성장에는 영향을 미치지 않게 된다.

한편, Effects of ion implantation and plasma treatment on tribological properties of aluminium and AL-Mg alloy, Surface and Coatings Technology, 51(1992) 157-161의 논문에 개시된 기술은 수십 KV로 가속된 질소이온을 알루미늄 소재에 주입하여 시료의 표면에 질화알루미늄층을 형성시키는 플라즈마 이온주입법에 관한 기술로, 시료의 표면으로부터 일정깊이의 내부에 수천 Å 두께의 질화알루미늄층을 형성시키는 기술이다.

이러한 논문 상에 개시된 기술과 본 발명의 연관성은 본 발명에서 질화알루미늄층을 형성시키는 전체 공정 중 초기 질화알루미늄층 형성에 사용하는 공정이다.

그러나, 논문 상에 개시된 선행기술은 시료의 표면으로부터 일정깊이 내부에 수천Å 두께의 질화알루미늄층이 형성되는 기술로 시료의 표면에는 자연산화알루미늄층이 존재하기 때문에 표면에서 질화알루미늄의 특성을 얻을 수 없고 질소이온의 주입깊이가 1미크론 이내로 제한되기 때문에 1미크론 이상의 두께를 갖는 질화알루미늄층을 형성시킬 수 없다.

또한, 본 발명에서는 플라즈마 이온주입 후 시료의 표면에 있는 산화알루미늄층과 질화되지 않은 알루미늄 소재를 제거하기 때문에 시료의 표면으로부터 질화알루미늄층이 존재하며 플라즈마 질화를 통해 질화알루미늄층의 두께를 수 미크론 이상으로 성장시킬 수 있다.

이와 같이 선행기술은 플라즈마 이온주입과 플라즈마 질화공정이 각각 별개의 것이나, 본 발명에서는 한 챔버에서 연속적으로 진행할 수 있도록 고전압 펄스직류전원 공급장치와 저전압 펄스직류전원 공급장치를 설치하였으며, 부도체인 질화알루미늄층의 성장을 위해 rf전원 공급수단 또한 설치하였다. 본 발명은 플라즈마 이온주입 방법으로 진행하여 산화알루미늄층의 존재와는 무관하게 질화알루미늄층을 형성시키는 한편, 시료의 표면에 존재하는 산화알루미늄층 및 질화되지 않은 알루미늄 소재층을 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용을 이용하여 제거하고, 직류 및 교류 플라즈마 질화를 이용하여 형성된 질화알루미늄층을 성장시키는 공정이 연속적으로 진행되는 시스템 및 공정으로 질화알루미늄층의 형성시 챔버 내부에 존재하는 산소의 영향을 받지 않는다.

본 발명은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성 방법 및 장치를 적용함으로써 알루미늄 또는 알루미늄합금의 표면에 존재하는 산화알루미늄층 또는 질화되지 않은 알루미늄 소재가 질화알루미늄층의 형성을 억제하는 문제를 해결함은 물론, 표면 접착력이 우수하고, 알루미늄 또는 알루미늄합금의 표면으로부터 내부로 수 미크론 이상의 두께를 갖는 질화알루미늄층을 형성시킬 수 있는 효과가 있다.

종래의 기술 중 물리증착법과 비교할 경우 본 발명의 효과는 첫 째, 시료의 표면에 질화알루미늄층이 형성되는 코팅 형태가 아닌 이온주입 및 이온의 확산에 의해 시료 내부에 질화알루미늄층을 형성하므로 시료와 질화알루미늄층 사이의 계면에서의 결합력이 강하여 질화알루미늄층의 두께가 두꺼워져도 박리가 발생하지 않는 효과가 있다.

둘 째, 물리증착의 경우 질화알루미늄층의 접착력을 향상시키기 위하여 전처리로 시료 표면을 연마하고 세정하는 공정이 있으나 본 발명은 전처리가 불필요한 효과가 있다.

셋 째, 물리증착법은 구조가 복잡한 3차원 형태의 시료에는 사용이 곤란한 반면 본 발명은 3차원 형태의 시료에도 균질한 질화알루미늄층을 형성시킬 수 있는 효과가 있다.

종래의 기술 중 플라즈마 이온주입 방법과 비교할 경우 본 발명의 효과는 시료의 표면에도 질화알루미늄층을 형성하여 시료의 표면이 질화알루미늄 특성을 나타내게 할 수 있는 효과가 있다.

둘 째, 질화알루미늄층을 수 미크론 이상으로 두껍게 형성시킬 수 있어 질화알루미늄의 특성을 충분히 발휘할 수 있는 효과가 있다.

셋 째, 형성되는 질화알루미늄층 내에 산화물이 존재하지 않아 치밀하고 안정한 질화알루미늄층을 얻을 수 있다.

종래의 기술 중 플라즈마 질화와 비교할 경우 본 발명의 효과는 첫 째, 종래에는 시료의 표면에 존재하는 산화알루미늄층에 의해 질화알루미늄의 형성이 억제되기 때문에 일차적으로 산화알루미늄층을 제거하는 것이 가장 중요한 공정인 반면 본 발명에서는 시료 표면에 존재하는 산화알루미늄층의 영향이 없는 효과가 있다.

둘 째, 종래에는 질화알루미늄 형성시 산화알루미늄층의 형성을 억제하기 위하여 챔버 내에 산화제를 주입하거나 가스 주입관에 필터를 설치하여 고순도가스를 챔버 내에 유입시키는 방법을 사용하였으나, 본 발명에서는 질화알루미늄 형성시 챔버 내에 존재하는 산소의 영향을 받지 않는 효과가 있다.

셋 째, 종래 기술에 의해 형성되는 질화알루미늄층에는 질화시 챔버 내에 존재하는 산소와 반응하여 형성된 산화알루미늄층이 혼입되는 반면, 본 발명에 의해 형성되는 질화알루미늄층에는 산화알루미늄이 존재하지 않기 때문에 치밀하고 안정한 질화알루미늄층을 얻을 수 있는 효과가 있다.

넷 째, 종래의 기술은 물리증착법, 플라즈마 이온주입법 및 플라즈마 질화법이 독립된 시스템에서 독자적으로 진행되는 반면, 본 발명에 따른 시스템은 플라즈마 이온주입법과 플라즈마 질화법이 동일 챔버 내에서 진행될 수 있도록 하여 공정을 단순화하고 공정시간을 줄일 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (15)

1. 챔버 내에 질화 처리할 시료를 설치한 상태에서 상기 챔버 내부를 진공상태로 만든 후 질소가스를 주입시키는 공정;

   상기 시료에 전압을 인가하여 그 주위에 질소 플라즈마를 형성시키는 한편, 상기 질소 플라즈마에 의한 질소이온이 상기 시료의 내부에 주입되도록 하여 질화알루미늄층을 형성시키는 공정;

   상기 질화알루미늄층의 형성 공정 후 인가된 전압을 차단한 상태에서 상기 챔버 내의 가스를 배출시켜 진공상태로 만든 후 불활성가스를 주입시키고 가열하여 상기 시료의 온도를 승온시키는 공정;

   상기 시료에 전압을 인가하여 그 주위에 불활성가스 플라즈마를 형성시키고, 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용에 의해 상기 시료의 표면에 존재하는 산화알루미늄층과 질화되지 않은 알루미늄 소재층을 제거하여 상기 질화알루미늄층이 노출되도록 하는 공정;

   상기 시료의 질화알루미늄층 노출 공정 후 인가된 전압을 차단한 상태에서 상기 챔버 내의 가스를 배출시켜 진공상태로 만든 후 질소가스를 주입하고 가열하여 상기 시료의 온도를 플라즈마 질화 온도가 되도록 하는 공정;

   상기 시료에 전압을 인가하여 그 주위에 질소 플라즈마를 형성시키고, 상기 질소 플라즈마에 의한 질소원자의 확산으로 상기 시료의 질화알루미늄층을 성장시키는 공정;

   상기 시료의 질화알루미늄층을 일정 두께까지 성장시킨 후 상기 시료에 인가된 전압을 차단한 후 상기 챔버 내부를 진공상태로 만드는 공정; 및

   상기 챔버의 내부에 질소가스를 주입하여 상기 시료를 냉각시키는 공정을 포함하여 이루어진 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 이온주입 공정, 스퍼터링 공정, 질화알루미늄층 성장 공정에는 상기 챔버 내에 rf 플라즈마 발생을 가능하게 하는 rf전원을 인가하여 상기 챔버 내부의 플라즈마 밀도를 높이는 한편, 보다 많은 이온과 활성화된 중성 질소입자와 질소 라디칼을 형성시켜 상기 시료 표면과 질소이온의 반응작용을 증대시키는 공정이 더 추가된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 챔버를 가열하여 상기 시료의 온도를 승온시키는 공정에서 가열온도는 300∼500℃로 가열함을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 시료의 주위에 질소 플라즈마를 형성시켜 질소이온의 주입에 의한 질화알루미늄층의 형성 공정시 인가되는 전압은 20 KV 이상의 펄스형 음전압임을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 시료의 주위에 불활성가스 플라즈마를 형성시켜 불활성가스 이온에 의한 스퍼터링 작용으로 상기 시료 표면에 존재하는 산화알루미늄층 및 질화되지 않은 알루미늄 소재층을 제거하여 질화알루미늄층을 노출시키는 공정시 인가되는 전압은 1 KV 이하의 펄스형 음전압임을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성 방법.
6. 시료를 내부에 설치하여 이온질화 반응시키는 챔버;

   상기 챔버 내부에 설치되어 상기 시료를 지지하는 음극판;

   상기 챔버의 내부에 설치되어 상기 음극판을 지지하는 음극판 지지폴;

   상기 챔버의 내부를 진공 상태로 만드는 수단;

   상기 챔버 내부의 반응온도를 승온시키는 수단;

   상기 시료의 질화처리를 위한 질화용 가스와 상기 시료의 산화알루미늄층 및 질화되지 않은 알루미늄 소재층을 제거하기 위한 불활성가스 및 상기 질화알루미늄층이 형성된 시료를 냉각시키기 위한 가스를 챔버 내부로 주입시키는 수단;

   상기 음극판 지지폴에 전기적으로 연결되어 상기 시료에 전압을 인가하는 한편, 상기 시료의 주위에 질소 플라즈마와 불활성가스 플라즈마를 형성시켜 질소이온에 의한 질화알루미늄층의 형성과 성장 및 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용에 의한 상기 시료의 산화알루미늄층 및 질화되지 않은 알루미늄 소재층을 제거하는 수단을 포함하여 이루어지고,

   상기 시료의 질화처리시 플라즈마 이온주입, 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용에 의한 시료 표면에 존재하는 산화알루미늄층과 질화되지 않은 알루미늄 소재층의 제거 및 플라즈마 질화를 순차적으로 진행하여 상기 시료의 내부에 질화알루미늄층을 형성시키는 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 챔버에는 rf전원을 인가하여 rf 플라즈마 발생을 가능하게 하는 한편, 상기 시료의 질화알루미늄층을 성장시키는 수단이 더 구비된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 rf 플라즈마 발생에 의해 상기 시료의 표면과 질소이온의 반응작용을 증대시키는 수단은 rf전원을 인가하는 rf전원 공급부;

   상기 rf전원 공급부로부터 인가된 rf전원을 일정하게 유지하고 조절하는 rf전원 조절부;

   상기 챔버의 내부에 설치되어 상기 rf전원 공급부로부터 인가된 rf전원을 rf 플라즈마 형태로 발생시키는 rf안테나; 및

   상기 rf전원 조절부와 rf안테나를 연결하는 rf전극으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성장치.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 시료의 주위에 질소 플라즈마와 불활성가스 플라즈마를 형성시키는 수단은 상기 음극판에 전기적으로 연결된 음극전극;

   상기 음극전극에 전기적으로 연결되어 고전압의 펄스직류전원을 공급하는 고전압 펄스직류전원 공급장치;

   상기 음극전극에 전기적으로 연결되어 저전압의 펄스직류전원을 공급하는 저전압 펄스직류전원 공급장치; 및

   상기 고전압 펄스직류전원 공급장치와 저전압 펄스직류전원 공급장치의 전원을 고전압에서 저전압으로, 저전압에서 고전압으로 전환시키는 음극전원 교체스위치로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성장치.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 고전압 펄스직류전원 공급장치와 저전압 펄스직류전원 공급장치는 하나의 음극전극을 사용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성장치.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 시료 주위에 형성되는 상기 질소 플라즈마에 의한 질소이온을 주입시켜 상기 시료의 내부에 질화알루미늄층을 형성시키는 경우 상기 시료에 인가되는 전압은 상기 고전압 펄스직류전원 공급장치에 의한 20 KV 이상의 펄스형 음전압임을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성장치.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 시료 주위에 형성되는 상기 불활성가스 플라즈마에 의한 불활성가스 이온의 스퍼터링 작용에 의해 상기 시료의 표면에 존재하는 산화알루미늄층 및 질화되지 않은 알루미늄 소재층을 제거하는 경우 상기 시료에 인가되는 전압은 상기 저전압 펄스직류전원 공급장치에 의한 1 KV 이하의 펄스형 음전압임을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성장치.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 시료 주위에 형성되는 상기 질소 플라즈마에 의한 질소이온을 확산시켜 상기 시료의 질화알루미늄층을 성장시키는 경우 상기 시료에 인가되는 전압은 상기 저전압 펄스직류전원 공급장치에 의한 1 KV 이하의 펄스형 음전압임을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성장치.
14. 제 6 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시료의 질화알루미늄층을 성장시킬시 인가되는 상기 저전압 펄스직류전원 공급장치에 의한 저전압의 펄스형 음전압과 rf전원은 동시 또는 시차를 두고 인가되는 것임을 특징으로 하는 이용한 질화알루미늄 형성장치.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 불활성가스에는 헬륨(He), 아르곤(Ar), 네온(Ne) 및 크세논(Xe) 가스를 단일로 사용하거나 혼합하여 사용함을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 질화알루미늄 형성장치.