KR20020063147A - 구형 모재로의 금속 박막 형성 장치 및 그 박막 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구형 모재 위에 균일한 두께의 금속 박막을 증착시키기 위하여, 진공챔버내에 설치되고 그 타겟면이 한쪽 방향을 향하고 있는 스퍼터링 타겟 어셈블리와, 상기 스퍼터링 타겟 어셈블리를 에워싸도록 형성되고 상기 타겟면이 향하고 있는 방향쪽 직하 영역 내에 구형 모재가 올려질 수 있으며 상기 타겟 어셈블리 주위에서 회전 가능한 원통 형상의 지그로 이루어지고, 상기 지그가 회전할 때 상기 구형 모재를 상기 지그의 회전에 따라 상기 지그의 내면에서 전방향(全方向)으로 회전시키면서 상기 구형 모재 위에 박막을 스퍼터링 증착시키는 구형 모재로의 금속 박막 증착 장치와, 스퍼터링 타겟면 직하의 지그 위에 구형 모재를 위치시키고, 타겟 주위에서 지그를 회전시켜 상기 지그의 내면에서 상기 구형 모재를 전방향(全方向)으로 회전시키면서 구형 모재 위에 박막을 스퍼터링 증착시키는 구형 모재로의 금속 박막 증착 방법을 제공한다.

Description

구형 모재로의 금속 박막 형성 장치 및 그 박막 형성 방법{Apparatus for Forming Metal Thin Film on a Ball-Shaped Substrate and Its Method for Forming the Thin Film}

본 발명은 모재에 금속 박막을 형성하는 장치와, 상기 박막의 형성 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 지금까지는 균일한 두께로 금속 또는 금속 화합물 박막을 증착하는 것이 곤란하였던 구형 모재 위에 균일한 두께로 금속 박막을 용이하게 증착할 수 있도록 하는 지그의 구조와, 구형 모재 위에 금속 박막을 균일한 두께로 용이하게 형성하는 방법에 관한 것이다.

티타늄 화합물 박막(질화티타늄, 산화티타늄, 탄질화티타늄 등)과 같은 금속 박막은 고강도, 고내식성, 고용융점 등의 우수한 기계적 성질을 갖고 있어서 경질 코팅 및 공구의 표면경화처리에 이용될 뿐만 아니라, 다양한 색상을 띠고 있어서각종 제품의 장식용 코팅 등에도 널리 사용되고 있다.

이러한 금속 박막은 물리적 증착법(PVD) 혹은 화학적 증착법(CVD) 어느 것으로도 얻어질 수 있는데, 본 발명의 대상이 되는 스퍼터링(sputtering)은 그 중 물리적 증착법에 해당한다. 일반적으로 스퍼터링은 불활성가스 분위기에서 타겟에 고전압을 인가하여 글로우 방전을 발생시킨 후, 방전관내에 존재하는 불활성가스 이온이 금속 타겟에 충돌하여 티타늄 원자를 떼어낸 후(스퍼터링시킨 후), 반응용기에 들어있는 반응성 가스와 반응시켜 모재 위에 박막을 증착시키는 방법이다. 이때 마그네트론을 이용하여 방전을 일으켜서 플라즈마를 한정된 영역내로 형성하고, 이 플라즈마 중의 이온을 타겟에 부딪치게 해서 스퍼터링시킨 후 반응용기에 들어 있는 반응성 가스와 반응시켜 모재 위에 박막을 증착시키는 방법이 마그네트론 스퍼터링이다.

이러한 스퍼터링은 방전 영역이 타겟 근처에 집중되어 발생되기 때문에, 증발원인 스퍼터링 타겟과 박막이 증착되는 모재 사이의 거리가 대략 5 ∼ 10cm로 그 거리가 매우 짧아서, 모재와 타겟 사이의 거리를 증가시키면 박막 두께가 얇아지거나 밀착력이 떨어져 제품으로서의 가치를 상실하게 된다. 따라서, 스퍼터링법에서 모재와 타겟 사이의 거리를 일정하게 유지하는 것은 중요한 인자가 된다.

그런데, 스퍼터링을 이용하여 금속 박막을 증착시키고자 하는 경우, 증착 모재가 평면상 기판이라면 모재를 진공챔버내에 스퍼터링 타겟과 평행하면서 마주보도록 배치하면 모재와 타겟 사이의 거리를 일정하게 유지할 수 있어서 만족스러운 금속 박막을 얻을 수 있겠지만, 구형 모재의 경우 스퍼터링 타겟면으로부터의 모재표면의 각 부분까지의 거리가 다르기 때문에 모재 표면의 각 부분에 증착되는 박막의 두께가 달라지게 되는 문제점이 있었다. 또한, 장식용 코팅을 위해 산화티타늄을 증착하는 경우, 산화티타늄은 증착 두께에 의존하여 박막의 색깔이 변화하기 때문에 구형 모재의 경우 표면의 각 부분에 균일한 두께의 박막이 얻어지지 않아서 단일 색상의 산화티타늄 박막을 얻을 수 없는 문제점이 있었다.

이러한 문제점 때문에, 종래 구형 모재에 구멍을 뚫고 구멍에 철사처럼 가늘고 얇은 치구를 끼워서 이 치구를 스퍼터링 타겟면 주위로 공전시키거나 공전과 동시에 자전시킬 수 있는 구조의 지그(jig)를 이용하기도 했으나, 치구의 공전 혹은 자전이 불가피하게 한쪽 방향으로만 이루어지기 때문에 구형 모재 표면의 각 부분에서 균일한 두께의 코팅을 얻는 것은 불가능하였고, 장식용 코팅의 경우 구형 모재에 구멍을 뚫어야 하는 관계로 장식용 코팅의 효과를 반감시키는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 종래 기술이 갖는 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로, 본 발명은, 구형 모재 위에 균일한 두께의 금속 박막을 증착시킬 수 있는 지그의 구조와 구형 모재 위에 금속 박막을 균일한 두께로 형성하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속 박막 형성 장치의 요부를 보여주는 일부 절단 사시도이다.

도 2는 도 1에 따른 장치의 정단면도이다.

본 발명은, 진공챔버내에 설치되고 그 타겟면이 한쪽 방향을 향하고 있는 스퍼터링 타겟 어셈블리와, 상기 스퍼터링 타겟 어셈블리를 에워싸도록 형성되고 상기 타겟면이 향하고 있는 방향쪽 직하 영역 내에 구형 모재가 올려질 수 있으며 상기 타겟 어셈블리 주위에서 회전 가능한 원통 형상의 지그로 이루어지고, 상기 지그가 회전할 때 상기 구형 모재를 상기 지그의 회전에 따라 상기 지그의 내면에서 전방향(全方向)으로 회전시키면서 상기 구형 모재 위에 박막을 스퍼터링 증착시키는 구형 모재로의 금속 박막 증착 장치를 제공한다.

여기서, 상기 타겟 어셈블리는 상기 지그 내부의 하단부에 설치되는 것이 좋고, 상기 타겟면은 중력방향을 향하는 것이 좋다. 아울러, 상기 진공챔버는 횡형 진공챔버인 것이 더욱 좋고, 상기 지그는 메쉬 형상인 것이 더욱 좋고, 상기 지그는 지그 가이드 위에 올려지고, 상기 지그 가이드 위에서 회전하는 것이 더욱 좋다.

또한, 본 발명은, 스퍼터링 타겟면 직하의 지그 위에 구형 모재를 위치시키고, 타겟 주위에서 지그를 회전시켜 상기 지그의 내면에서 상기 구형 모재를 전방향(全方向)으로 회전시키면서 구형 모재 위에 박막을 스퍼터링 증착시키는 구형 모재로의 금속 박막 증착 방법을 제공한다.

여기서, 상기 박막은 산화티타늄 박막이고 증착되는 산화티타늄 박막의 색상이 스퍼터링 증착 시간에 의존하여 변화하는 것이 좋다.

본 발명자는 스퍼터링을 이용하여 금속 박막을 대상 모재 위에 증착시키고자 하는 경우 대상 모재 표면의 각 부분과 스퍼터링 타겟 사이의 거리에 따라 금속 박막의 증착 두께가 달라진다는 전제하에, 구형 모재 표면의 각 부분과 스퍼터링 타겟 사이의 거리를 일정하게 유지시킬 수 있는 지그의 구조와 증착 방법을 연구한끝에 본 발명을 완성하게 되었다. 이하의 실시예에서 금속 박막이 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 구형 모재 위에 증착되는 것에 근거하여 본 발명을 설명하였지만, 박막의 증착 두께가 대상 모재와 타겟과의 거리에 의존하는 어떤 종류의 금속 박막의 스퍼터링에도 본 발명에 따른 지그 구조와 박막 형성 방법은 별다른 수정없이 적용될 수 있다.

본 발명에서 금속 박막은 금속 또는 금속 화합물 박막 모두를 포함한다. 본 발명의 대상이 되는 스퍼터링에서 스퍼터링 타겟으로부터 스퍼터링된 금속 이온들은 진공챔버내로 도입되는 반응성가스의 종류에 따라 여러 종류의 금속 화합물 박막이나 금속 박막 형태로 대상 모재 위에 증착된다. 이하의 실시예에서는 산화티타늄 박막이 본 발명에 따라 구형 모재 위에 증착되는 것을 일례로 들어 본 발명을 설명하였다.

이하에서 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예와 도면에 근거하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명한다. 그러나, 후술하는 실시예와 첨부 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한받아서는 아니될 것이며, 본 발명의 범위는 오로지 특허청구의 범위에 기재된 내용에 의해 제한받을 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 금속 박막 장치의 일부 절단 사시도이고, 도 2는 도 1의 장치의 정단면도이다. 상기 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 지그(2)의 골조에 메쉬형상의 지그철망(4)에 설치된 지그(2)가 가로로 누워있는 횡형 진공챔버(6) 내부에 장착되어 있다. 상기 진공챔버(6) 하부에는 지그 가이드 레일(8)이 형성되어 있는데, 상기 지그 가이드 레일(8) 위에서 반원통 형상의 지그가이드(10)의 양측부에 형성된 지그 가이드 롤러(12)(이 롤러는 챔버 길이방향으로 연장된 부재내에 내장될 수도 있다)가 활주 가능하도록 장착되어 있다. 아울러, 상기 지그 가이드(10)의 전방부 및 후방부 내부에는 복수개의 지그 가이드 베어링(14)이 장착되어 있어서, 지그 전방 테두리(22)와 지그 후방 테두리(24)는 각각 상기 지그 가이드 베어링 위에서 회전이 자유롭게 설치된다. 한편, 지그 후방 테두리(24)에는 지그 고정구(26)이 돌출되어 있는데, 이것은 종동기어(34)의 대응 돌부의 요홈(도시되지 않음)내로 삽입된다. 따라서, 지그 구동부(30)의 회전이 구동기어(32)로, 다시 구동기어(32)로부터 종동기어(34)로 전동되고, 종동 기어(34)에 지그 후방 테두리(24)의 지그 고정구(26)가 삽입되어 있으므로 종동 기어(34)의 회전이 지그(2)로 전달된다. 이에 따라, 지그(2)는 지그 가이드(10) 위에서 회전한다.

다음으로 이상과 같은 구조를 갖는 금속 박막 형성 장치의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

진공챔버(6) 외부에서 진공챔버(6) 내부의 지그 가이드 레일(8)과 동등한 형상의 가이드 레일을 포함하는 운반수단(도시되지 않음) 위에 올려진 지그 가이드(10) 위에 지그(2)를 장착하여 진공챔버도어(20)을 개방한 뒤에 상기 운반수단의 가이드 레일을 상기 진공챔버(6) 내부의 지그 가이드 레일(8)에 끼운 뒤, 상기 지그(2)가 올려져 있는 지그 가이드(10)를 진공 챔버(6) 내부로 밀어넣는다. 이 때, 진공챔버(6) 후방부의 내부에 장착되어 있는 종동기어(34)의 돌부 요홈부에 지그 후방 테두리(24)의 지그 고정구(26)가 정확히 삽입되도록 한다. 이렇게 장착되면 지그(2) 단면 중심부 아랫쪽에 스퍼터링 타겟 어셈블리(16)가 위치하게 된다. 그리고, 그 타겟 어셈블리(16) 아래에 스퍼터링 타겟(28)이 중력방향, 즉 아래 방향을 바라보고 위치하게 된다. 이 스퍼터링 타겟(28) 직하 영역에 금속 박막을 코팅하고자 하는 구형 모재(18)을 다수개 올려놓은 후 진공챔버도어(20)을 닫는다. 상기 타겟 어셈블리(16)내에는 영구 자석을 포함하는 공지의 여러 부품들이 포함되어 있다. 그 후, 진공펌프로 진공을 흡입하는 등의 단계를 거쳐 스퍼터링을 위한 챔버 분위기를 만들고, 아르곤 가스 플라즈마를 이용하여 모재를 60초간 이온세척(ion cleaning)하고, 지그를 회전시키면서 초기 증착 과정과, 아르곤(Ar)과 산소(O₂)를 1:0.8 비로 혼합한 혼합가스에 의한 주증착을 행한다. 이 때, 지그구동부(30), 구동기어(32) 및 종동기어(34)를 이용하여 지그(2)를 도 2의 화살표 "A" 방향으로 회전시키면, 구형모재(18)들은 타겟 어셈블리(28) 직하의 영역내에서 도 2의 화살표 "B" 방향으로 회전하는데, 이 때, 상기 지그(2) 표면이 지그 철망(4)으로 형성되어 있고 지그(2)가 회전하면서 구형 모재(18)들끼리 서로 부딪치는 까닭에 상기 구형 모재(18)들은 전방향(全方向)으로 회전하게 되어, 구형 모재(18) 표면의 모든 영역이 골고루 거의 동등한 시간 동안 스퍼터링 타겟(28)의 마주보도록 놓이게 되므로 구형 모재(18) 표면에 균일한 두께의 산화티타늄 박막이 표면에 코팅되어 구형 모재 전체에 걸쳐 한가지 색상의 금속 박막이 코팅되었다. 또한, 이 색상은 산화티타늄 박막의 두께가 증가함에 따라서 "황토색→자주색→청색→황색→분홍색→청록색→녹색→연두색"으로 변화하는 것을 관찰할 수 있었다. 이 때, 지그를 메쉬 형상으로 형성하는 경우, 지그의 회전시 구형 모재가 전방향으로 회전하는 것을 돕고 지그에 잔류된 불순물을 제거할 수 있도록 한다.

본 발명에 따르면, 구형 모재에 종래처럼 구멍을 뚫을 필요가 없이, 균일한 두께의 금속 박막을 얻을 수 있고, 장식용 산화티타늄 박막을 형성하고자 하는 경우 구형 모재 전체에 걸쳐 단일 색상으로 산화티타늄 화합물 박막을 증착시킬 수 있다.

Claims (8)

1. 진공챔버내에 설치되고 그 타겟면이 한쪽 방향을 향하고 있는 스퍼터링 타겟 어셈블리와, 상기 스퍼터링 타겟 어셈블리를 에워싸도록 형성되고 상기 타겟면이 향하고 있는 방향쪽 직하 영역 내에 구형 모재가 올려질 수 있으며 상기 타겟 어셈블리 주위에서 회전 가능한 원통 형상의 지그로 이루어지고, 상기 지그가 회전할 때 상기 구형 모재를 상기 지그의 회전에 따라 상기 지그의 내면에서 전방향(全方向)으로 회전시키면서 상기 구형 모재 위에 박막을 스퍼터링 증착시키는 것을 특징으로 하는 구형 모재로의 금속 박막 증착 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 타겟 어셈블리는 상기 지그 내부의 하단부에 설치되는 것을 특징으로 하는 구형 모재로의 금속 박막 증착 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 타겟면은 중력방향을 향하는 것을 특징으로 하는 구형 모재로의 금속 박막 증착 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진공챔버는 횡형 진공챔버인 것을 특징으로 하는 구형 모재로의 금속 박막 증착 장치.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지그는 메쉬 형상인 것을 특징으로 하는 구형 모재로의 금속 박막 증착 장치.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지그는 지그 가이드 위에 올려지고, 상기 지그 가이드 위에서 회전하는 것을 특징으로 하는 구형 모재로의 금속 박막 증착 장치.
7. 스퍼터링 타겟면 직하의 지그 위에 구형 모재를 위치시키고, 타겟 주위에서 지그를 회전시켜 상기 지그의 내면에서 상기 구형 모재를 전방향(全方向)으로 회전시키면서 구형 모재 위에 박막을 스퍼터링 증착시키는 것을 특징으로 하는 구형 모재로의 금속 박막 증착 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 박막은 산화티타늄 박막이고 증착되는 산화티타늄 박막의 색상이 스퍼터링 증착 시간에 의존하여 변화하는 것을 특징으로 하는 구형 모재로의 금속 박막 증착 방법.