KR20010076020A - 음극아크 방전을 이용한 대면적 평판 코팅장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 음극 타겟 후방에 장착된 영구자석에 의하여 발생된 자기장을 이용하여 평면 음극에 아크를 균일하게 발생시켜 대면적에 균일한 코팅이 가능하도록 한 음극아크 코팅장치를 개시한다. 본 발명의 음극아크 코팅장치는, 타겟을 안치하고 절연시키기 위한 타겟 절연부와, 상기 타겟을 냉각하기 위한 냉각부와, 상기 타겟 표면에 발생된 전자의 이동 경로가 되며, 상기 타겟의 상부에 발생된 아크를 안정화하기 위한 보조 양극과, 상기 아크가 상기 타겟을 벗어나는 것을 차폐하기 위한 차폐부와, 상기 아크의 운동을 상기 타겟의 표면 내부로 제한하고, 상기 타겟 표면에 전면에 퍼지도록 안내하는 이동식 영구자석부를 포함한다. 본 발명의 음극아크 코팅장치는, 자기장의 정밀 제어를 통하여 고가의 타겟의 침식율을 증가시키며, 반응성 가스를 챔버 내부로 유입시켜 TiN, CrN, AlN, WC 등과 같은 고기능성 박막을 균일하게 코팅한다.

Description

음극아크 방전을 이용한 대면적 평판 코팅장치{Planar typed arc ion plating apparatus using cathodic arc discharge}
본 발명은 영구자석을 이용한 물리적 박막 형성장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 음극 방전 타겟 표면 전체에 아크를 분포시켜서 대면적에 걸쳐서 균일한 막의 형성을 가능하게 하는 아크 방전을 이용한 막 형성장치에 관한 것이다.
일반적으로 음극 아크 증착 시스템(진공 아크 이온 플레이팅 시스템으로도 불려짐)은 이온화된 막 형성 재료를 양극에 결합된 기판의 표면에 증착하기 위하여 적용되는 기술이다.
이러한 음극 아크 시스템에서 막의 형성 동안 음극으로부터 발생되는 증착종의 이온화율이 60~90%에 달하며, 40~100 eV에 달하는 높은 운동 에너지를 지닌 입자가 발생되고 시편 표면의 가열과 스퍼터 세정을 통하여 성장하는 박막의 밀도와 밀착력 등을 향상시킬 수 있는 장점 때문에 널리 이용되고 있는 물리기상증착법의 일종이다.
아크 방전 동안 음극의 표면에 자기장이 인가될 때, 불순물이 막의 형성동안 생성되는 것을 방지하기 위하여 음극을 절연하고 아크원을 아크의 고온으로부터 보호하는 것이 요구된다. 이러한 요구는 아크 방전에 의하여 음극의 증착면 위에 형성되는 아크 스폿(Arc spot)의 움직임을 표면 내부로 제한하고, 아크 스폿의 이동 속도를 증가시키는 것에 의하여 충족된다.
종래의 소형 아크원은 지름이 약 40∼80 mm정도로서, 주로 네오디뮴(Nd)계영구자석을 적용하는데, 구조가 간단하고 내구성이 우수한 장점을 갖는다.
그런데, 자기장 생성원으로서 영구자석을 사용하는 경우, 그 모양이 원형으로 한정된다.
한편, 대형 평판 아크원의 음극 표면에 자기장을 형성시키는 방법으로는 주로 전자석이 사용되는데, 이 방법은 제작비용이 많이 들고, 보수가 어려우며, 전자석 냉각이 필수적으로 요구된다.
또한, 일부 영구자석을 이용하는 평판 아크원의 경우, 음극 금속의 소모 효율이 약 40%이하로 매우 낮고, 안정적인 아크 방전을 얻기 위해서는 폐회로를 이루는 자기장을 형성시키고 반드시 그 내부에 아크 촉발을 유도해야 안정적인 아크 방전을 얻을 수가 있다.
따라서 본 발명은 평판 아크 코팅원으로서 네오디뮴계 영구자석을 이용하여 균일한 대면적 코팅을 가능하도록 하는데 그 한가지 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 간단한 구조의 이송 가능한 자석부와, 금속 음극 형성 설계기술의 조합에 의해 아크의 운동을 금속 음극의 표면 내부로 제한하고 음극 표면의 전면에 퍼지도록 안내하여 고가의 음극 금속의 소모 효율을 70% 이상으로 높이는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 촉발의 위치에 관계없이 안정한 아크 방전을 유도하여 TiN, CrN, AlN, WC 등과 같은 고기능성 박막을 지름 800mm, 높이 1,000mm의 대면적 코팅할 수 있는 아크 방전을 이용한 막 형성장치를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 아크 방전을 이용한 평판 음극아크 코팅장치의 구성도.
도 2는 도 1의 음극아크 코팅장치에서 자기장과 아크 스폿과의 관계를 설명하기 위한 모식도.
도 3은 도 1의 장치의 영구자석부에서 형성되는 자기력선을 분포를 컴퓨터 시뮬레이션한 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
12 : 음극 12a: 테이퍼
12b: 음극 표면 13 : 아크 트랩용 요홈
14 : 음극 안치부 16 : 냉각부
17 : 보조 양극 18 : 차폐부
19 : 촉발 전극 20 : 영구자석부
32 : 직류 모터 34 : 스크류
42 : 자기장 44 : 아크 스폿
상기한 목적 및 장점들을 달성하기 위하여, 본 발명의 아크를 이용한 막 형성장치는, 아크가 발생되어 코팅물질이 증발되는 금속(Ti, Cr, Al, WC, Zr 등) 음극과, 상기 음극의 외주부를 둘러싸서 고정하며 절연하는 테프론 절연부와, 아크에 의해 가열된 음극을 직접 냉각하기 위한 냉각부와, 상기 음극 표면에 발생된 전자의 이동 경로가 되며, 상기 음극의 상부 표면에 발생된 아크를 안정화하기 위한 보조 양극과, 상기 아크가 상기 음극을 벗어나 절연부 및 진공부의 파손을 야기하는 것을 방지하기 위한 절연부재와, 아크의 운동을 상기 음극의 표면 내부로 제한하고, 상기 음극 표면의 전면에 퍼지도록 안내하는 이동식 영구자석부를 포함한다.
여기서, 음극의 양단부는 아크 스폿의 이동면과 자기장이 예각을 이루도록 테이퍼링 구조를 갖는다.
바람직하게는, 음극은 음극(12) 밖으로 아크가 벗어날 때 절연부 및 진공부의 파손방지를 위해 아크 트랩을 갖을 수 있다. 아크 트랩은 음극 모서리를 따라 폭 2mm, 깊이 2mm의 요홈 구조를 갖는다.
본 발명의 다른 목적과 특징 및 장점들은 첨부한 도면을 참고한 상세한 설명으로부터 보다 분명해질 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 아크 방전을 이용한 막 형성장치의 부분 단면도이다.
도 1을 참조하면, 스퍼터링 장치는 막 형성물질을 포함하며, 아크가 발생될때 증발되는 금속(Ti, Cr, Al, WC, Zr 등)으로 된 음극(12)과, 음극(12)의 외주면을 둘러싸서 음극을 고정하며 음극을 인접한 전도체로부터 절연하는 테프론 절연부(14)와, 아크에 의해 가열된 음극(12)을 직접 냉각하기 위한 냉각부(16)와, 음극(12) 표면에 발생된 전자의 이동 경로가 되며, 음극(12)의 상부에 발생된 아크를 안정화하기 위한 보조 양극(17)과, 아크가 음극(12)을 벗어나 절연부(14) 및 진공 챔버부의 파손을 야기하는 것을 방지하기 위한 차폐부재(18)와, 아크의 운동을 음극(12)의 표면 내부로 제한하고, 음극(12) 표면의 전면에 퍼지도록 안내하는 이동식 영구자석부(20)를 포함한다. 도면 중 미설명부호 19는 아크의 촉발을 위한 촉발전극이다.
금속 음극(1)은 아크가 발생되어 코팅물질이 증발되는 부분으로서, Ti, Cr, Al, WC, Zr 등 99.9% 이상의 순도를 지닌 천이금속 판이다.
음극(12) 상에 발생한 아크 스폿(44)이 음극 표면을 벗어나지 않도록 하기 위하여, 도 3에 도시한 자기력선의 전산 모사(Simulation) 결과에 따라 음극(12)의 양 모서리 부분이 도 2에 도시된 것처럼 테이퍼(Taper) 형상을 갖도록 구성한다. 아크 스폿(44)의 운동은 아크 스폿(44)이 이동하는 면(12b)과 자기장(42)이 이루는 각도에 따라 결정되는데, 본원발명의 음극(12)의 양 모서리 부분은 테이퍼 구조를 갖기 때문에 아크 스폿(44)은 예각 방향(A)으로 이동한다. 따라서 음극 표면(12b)에 발생된 아크가 음극(12)을 벗어나지 않고 전면에 고루 분포하게 된다.
또한, 바람직하게는 음극(12)은 만약 음극(12) 밖으로 아크가 벗어날 때 절연부 및 진공부의 파손방지를 위해 아크 트랩(13)을 갖을 수 있다. 아크 스폿(44)은 약 2 mm 깊이의 턱을 넘을 수 없기 때문에 아크 트랩(13)은 음극(12) 모서리를 따라 폭 2mm, 깊이 2mm의 요홈 구조로 형성된다.
테프론 절연부(14)는 음극(12)을 고정하며 인접한 전도체로부터 음극(12)을 전기적으로 절연한다.
냉각부(16)는 음극(12)의 후방에 배치되며, 아크 방전에 의해 가열된 음극(1)을 직접 냉각한다.
보조 양극(17)은 음극(12) 표면에 형성된 아크를 안정화하기 위하여 제공되며, 순철 또는 연강으로 제작되어, 음극 표면에 발생된 전자의 이동 경로가 된다.
차폐부재(18)는 아크가 음극을 벗어나 절연부 및 진공부의 파손을 야기하는 것을 방지하기 위하여 음극(12)의 외주면과 소정 간격을 갖고서 배치되며, 세라믹재, 바람직하게는 알루미나(Al2O3)로 만들어진다.
영구자석부(20)는 적어도 한 쌍의 영구자석을 포함하며, 아크의 운동을 금속 음극(12)의 표면 내부로 제한하고 아크가 음극(12) 표면의 전면에 퍼지도록 안내하기 위해 냉각부(16)의 후방에 배치되며, 직류모터(32)에 의한 상하운동과, 스크류(34)의 작용으로 전후 이동이 가능하다.
영구자석부(20)를 구성하는 자석은 네오디뮴(Nd)계 영구자석이며, 도 3과 같은 전산 모사결과에 의해 자석간 간격과, 음극(12)과 자석부(20)간의 간격이 결정된다.
도 3에 도시된 것처럼, 동일 위치에 배치된 극(poles) 사이에 서로 척력이작용하도록 네오디뮴계 자석의 극성은 서로 같은 방향을 가지며, 음극(12)의 모서리 부위에 형성된 테이퍼 면(12a)과 자기장(42) 방향은 음극(12) 내부로 예각을 이루고 있으므로 외부로 이동하던 아크 스폿(44)은 다시 내부를 향해 이동하게 되며, 촉발 위치에 관계없이 처음 발생된 아크 스폿(44)은 음극(12)의 내부로 이동하여 안정한 아크 방전이 유지된다. 또한 자기장(42)의 세기가 음극 표면(12b) 전반에 걸쳐 균일하게 분포되어 고가의 음극 금속의 소모 효율이 증가한다.
상기한 구성을 갖는 마그네트론 스퍼터링 장치에서 막의 형성은 다음과 같은 과정을 통하여 이루어진다.
먼저, Ti, Cr, Al, WC, Zr 등 99.9% 이상의 순도를 지닌 천이금속 중 선택된 적어도 하나의 음극(12)이 챔버(미도시) 내의 테프론 절연부(14)에 고정 설치된다. 아르곤(Ar)과 같은 스퍼터링 가스가 챔버로 공급되고, 음극(12)과 양극에 고전위가 인가된다. 고전위의 인가에 의하여 챔버 내에서 아크 방전(Arc discharge)이 일어나서 아크가 음극(12)의 표면에 형성된다. 아크는 음극(12)을 구성하는 재료의 원자들을 이온화 및 증발시키고, 이온화 및 증발된 원자들은 양극(미도시)에 결합된 기판 표면에 부착되어, 막을 형성한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 아크 방전을 이용한 스퍼터링 장치는, 네오디뮴계 영구자석을 이용한 간단한 구조의 이송 가능한 자석부와 금속 음극 형상 설계기술의 조합에 의해 아크의 운동을 금속 음극의 표면 내부로 제한하고 음극 표면의 전면에 퍼지도록 안내하여 고가의 음극 금속의 소모 효율을 70% 이상 증가시키고, 촉발의 위치에 관계없이 안정한 아크 방전을 유도하여 TiN, CrN, AlN, WC 등과 같은 고기능성 박막을 대면적(지름 800mm, 높이 1,000mm)코팅할 수 있는 대면적 평판 아크 코팅원 제작이 동시에 실현된다.
한편, 여기에서는, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 설명하고 도시하였지만, 통상의 지식을 가진 자에 의하여 변형과 변경이 가능할 것이다. 따라서, 이하 특허청구범위는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는 한 그러한 모든 변형과 변경을 포함하는 것으로 간주된다.

Claims (7)

  1. 막 형성물질을 포함하며, 아크가 발생될 때 증발되는 금속으로 된 음극;
    상기 음극의 외주면을 둘러싸서 상기 음극을 고정하며 상기 음극을 절연하는 테프론 절연부;
    상기 음극을 직접 냉각하기 위한 냉각부;
    상기 음극 표면에 발생된 전자의 이동 경로가 되며, 상기 음극의 상부에 발생된 아크를 안정화하기 위한 보조 양극; 및
    상기 아크가 상기 음극의 표면을 벗어나는 것을 방지하기 위한 차폐부재; 및
    상기 아크의 운동을 상기 음극의 표면 내부로 제한하고, 상기 음극 표면의 전면에 퍼지도록 안내하는 이동식 영구자석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크방전을 이용한 막 형성장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 음극은 양단부가 테이퍼 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 막 형성장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 음극의 테이퍼 면은 상기 영구자석부에 의하여 형성된 자기장 방향과 예각을 이루는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 막 형성장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 타겟은 양단에 근접한 소정 부분에 음극 표면에 발생된 아크를 트랩하는 아크 트랩용 요홈을 갖는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 막 형성장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 요홈은 약 2mm의 폭과 약 2mm의 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 막 형성장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 영구자석부는 상기 냉각부의 후방에 장착되며, 상기 영구자석부를 상하 운동시키는 직류모터와, 상기 영구자석부를 전후 이동시키는 스크류를 포함하는 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 막 형성장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 영구자석부는 적어도 한 쌍의 네오비뮴계 영구자석을 포함하며, 상기 한 쌍의 영구자석은 자석의 극성이 동일한 방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 아크 방전을 이용한 막 형성장치.
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