KR200410922Y1 - Sputtering device for forming Ti-Si-N coating layer - Google Patents

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Abstract

본 고안은 Ti-Si-N계 경질코팅막의 증착을 위한 스퍼터링장치에 관한 것이다. 본 고안에 따르면 종래의 스퍼터링 방식을 이용한 Ti-Si-N 계 경질코팅막의 증착 장치는 Ti 스퍼터 타겟과 Si 스퍼터 타겟이 각 각 하나씩만 구비 되어 있었지만 Ti 와 Si 스퍼터 타겟을 각각 3개씩 그리고 배열 순서를 교차로 하되 각 스퍼터 간의 각도는 60˚ 하게 되면 종래의 방식에 비하여 보다 향상된 수율과 경도치를 얻을 수 있었다. 그리고 질소 유입구를 종래의 하나에서 두개로 하여 챔범 내부의 분위기를 보다 안정적인 질소분위기로 만들어 주어 효과적인 증착이 이루어 질 수 있다.The present invention relates to a sputtering apparatus for depositing a Ti-Si-N-based hard coating film. According to the present invention, the Ti-Si-N-based hard coating film deposition apparatus using the conventional sputtering method was provided with only one Ti sputter target and one Si sputter target, but three Ti and Si sputter targets, respectively, Intersection, but the angle between each sputter was 60˚ was able to obtain more improved yield and hardness than the conventional method. In addition, by using two nitrogen inlets as in the conventional one, the atmosphere inside the chamber can be made more stable by providing a more stable nitrogen atmosphere.

스퍼터링, 경질코팅막, 증착 Sputtering, Hard Coating Film, Deposition

Description

티아이 에스아이 엔 계 코팅막의 증착에 관한 스터터링 장치{Sputtering device for forming Ti-Si-N coating layer}Sputtering device for forming Ti-Si-N coating layer

도 1a 와 1b는 종래의 Ti-Si-N 계 코팅막의 스퍼터링 장치의 개략도.1A and 1B are schematic views of a sputtering apparatus of a conventional Ti-Si-N coating film.

도 2는 본 고안의 Ti-Si-N 계 코팅막의 증착을 위한 스퍼터링 장치의 단면 예시도. Figure 2 is an exemplary cross-sectional view of the sputtering apparatus for the deposition of the Ti-Si-N-based coating film of the present invention.

도 3은 종래의 스퍼터링 장치와 본 고안의 장치의 단위 시간당 증착속도를 비교한 그래프.Figure 3 is a graph comparing the deposition rate per unit time of the conventional sputtering device and the device of the present invention.

도 4는 종래 스퍼터링 장치와 본 고안에의 장치에 의하여 각각 형성된 코팅막의 경도 비교 그래프.Figure 4 is a graph comparing the hardness of the coating film formed by the conventional sputtering device and the device of the present invention, respectively.

도 5는 종래 스퍼터링 장치로 증착된 Ti-Si-C 코팅막과 고안된 장치로 증착된 Ti-Si-C 코팅막의 SEM 단면사진.5 is a SEM cross-sectional view of a Ti-Si-C coating film deposited with a conventional sputtering device and a Ti-Si-C coating film deposited with the designed device.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

1 ..... 스퍼터건 2 ..... 스퍼터건1 ..... sputter gun 2 ..... sputter gun

3 ..... 질소유입구 4 ..... 스편홀더3 ..... Nitrogen Inlet 4 ..... Snip Holder

Ca ..... 챔버 Ca ..... Chamber

본 고안은 Ti-Si-N계 경질 코팅막의 증착을 위한 스퍼터링 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 더욱 균일하고 기계적 성질을 향상시킬 수 있는 코팅막을 증착할 수 있도록 구성되는 Ti-Si-N계 경질코팅막의 스퍼터링장치에 관한 것이다. The present invention relates to a sputtering apparatus for depositing a Ti-Si-N-based hard coating film, and more particularly, a Ti-Si-N-based hard material configured to deposit a coating film which can improve more uniform and mechanical properties. It relates to a sputtering device for the coating film.

Ti-Si-N계 경질 코팅막은 기계 부품의 수명연장을 위하여 1990년대부터 다양한 증착 장치를 통하여 꾸준히 연구되어 온 코팅막으로써 최근에는 일부에서 상용화 제품으로 내놓은바 있다. Ti-Si-N-based hard coatings have been studied steadily through various deposition apparatuses since the 1990s to extend the life of mechanical parts.

이와 같은 Ti-Si-N계 코팅막의 증착 방법에는 크게 CVD(화학적기상증착법)과 PVD(물리적기상증착법)이 있다. 이 중에서 PVD방법은 증착 온도가 낮고 CVD 방법에 비하여 보다 치밀한 코팅막을 얻을 수 있는 장점이 있다. 실제로 Ti-Si-N계 경질 코팅막의 증착을 위한 PVD 장치로는 대부분이 스퍼터링 장치를 이용하고 있다. Ti 스퍼터 타겟과 Si 스퍼터 타겟을 각 각 하나씩 구비 하고 챔버 내부에 질소를 유입 시켜 Ti-Si-N 코팅막을 증착 시켜왔다. 하지만 이러한 증착 장치는 증착수율이 떨어지고 다른 방식에 비하여 경도와 같은 다른 물성치가 떨어지는 경향을 보였다.Such Ti-Si-N-based coating film deposition methods include CVD (chemical vapor deposition) and PVD (physical vapor deposition). Among them, the PVD method has a low deposition temperature and has an advantage of obtaining a more dense coating film than the CVD method. In fact, most of the PVD device for the deposition of Ti-Si-N-based hard coating film is sputtering device. A Ti sputter target and a Si sputter target are provided one by one and nitrogen is introduced into the chamber to deposit a Ti-Si-N coating film. However, these deposition apparatuses tended to have lower deposition yields and other physical properties such as hardness than other methods.

도 1a과 도 1b는, 각각 Ti-Si-N 코팅막을 증착 하기 위한 종래의 스퍼터링장치의 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 우선 종래의 방식은 크게 두 가지 방식으로 나눌 수 있는데, 첫 번째는 도 1a에 도시된 바와 같이, 시편홀더(10)가 챔버(C)의 중심에 위치하고 스퍼터 타겟을 구비하는 스퍼터건(12,14)이 상기 홀더(10) 주위에 배치되어 있는 형태이다. 그리고 두 번째 형태는 도 1b에 도시된 바와 같이, 시편 홀더(20)가 챔버(D) 상부에 위치하고 스퍼터 타겟을 각각 장착한 한 쌍의 스퍼터건(22,24)이 하부에 설치되어 있다. 이와 같은 방식의 종래의 스퍼터링장치에서는, 모두 Ti 와 Si의 소스(source) 타겟이 하나씩 존재하는 형태임을 알 수 있다.  1A and 1B schematically show the configuration of a conventional sputtering apparatus for depositing a Ti-Si-N coating film, respectively. First, the conventional method can be largely divided into two methods. First, as shown in FIG. 1A, the sputter guns 12 and 14 in which the specimen holder 10 is located at the center of the chamber C and have a sputter target are provided. ) Is arranged around the holder 10. In the second form, as shown in FIG. 1B, a pair of sputter guns 22 and 24 in which the specimen holder 20 is positioned above the chamber D and mounted with the sputter target, respectively, is installed below. In the conventional sputtering apparatus of this type, it can be seen that both the source target of Ti and Si exist.

그러나 이와 같은 종래의 구조, 즉 Ti 스퍼터 타겟과 Si 스퍼터 타겟을 각 각 하나씩 구비하고, 챔버 내부에 질소를 유입 시켜 Ti-Si-N 코팅막을 증착시키는 종래의 장치는 증착수율이 떨어지고 다른 방식에 비하여 경도와 같은 다른 물성치가 떨어지는 단점이 지적되고 있다. However, such a conventional structure, that is, provided with a Ti sputter target and a Si sputter target, one by one, and the conventional apparatus for depositing Ti-Si-N coating film by introducing nitrogen into the chamber, the deposition yield is low and compared with other methods It is pointed out that other physical properties such as hardness are inferior.

본 고안에서는 종래의 Ti-Si-N계 코팅막의 증착을 위한 스퍼터링 장치의 문제점을 보완하고자 타겟의 위치와 배열을 바꿈으로서 보다 향상된 증착 수율과 경도치를 얻는데 주된 목적으로 한다. In the present invention, the main purpose is to obtain improved deposition yield and hardness by changing the position and arrangement of the target to compensate for the problem of the sputtering apparatus for the deposition of the conventional Ti-Si-N-based coating film.

상기 목적을 달성하기 위한 본 고안에 의한 Ti-Si-N계 코팅막의 증착을 위한 스퍼터링장치는, 원통상의 챔버와; 상기 챔버의 내부에서 등간격으로 원주상으로 배치되고, Ti타겟을 구비하는 3개의 스퍼터건(1)와; 상기 챔버의 내부에서 등간격으로 원주상으로 배치되고, Si타겟을 구비하며, 상기 스퍼터건(1)과 교대로 배치되는 3개의 스퍼터건(2); 그리고 상기 챔버의 내부 중앙부분에 설치되어 시편을 지지하고, 구동원에 의하여 회전하는 시편홀더를 포함하여 구성되는 것을 기술적 특징으로 하고 있다. Sputtering apparatus for the deposition of Ti-Si-N-based coating film according to the present invention for achieving the above object, the cylindrical chamber; Three sputter guns (1) disposed circumferentially at equal intervals in the chamber and having a Ti target; Three sputter guns (2) disposed circumferentially at equal intervals in the chamber, having Si targets, and alternately arranged with the sputter guns (1); And it is characterized in that it comprises a specimen holder which is installed in the inner central portion of the chamber to support the specimen, rotated by a drive source.

그리고 본 고안의 챔버는 대향하는 양측에 설치되는 한 쌍의 질소 유입구를 구비하고 있다. And the chamber of the present invention is provided with a pair of nitrogen inlets which are installed on opposite sides.

다음에는 도면에 도시된 실시예에 기초하면서 본 고안에 대하여 더욱 상세하게 살펴보기로 한다. Next will be described in more detail with respect to the present invention based on the embodiment shown in the drawings.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 고안에 의한 스퍼터링장치는, 원통형상의 챔버(Ca)와, 상기 챔버의 내부에 설치되는 다수개의 스퍼터건(1,2)를 포함하고 있다. 상기 챔버(Ca)는 원통상으로 형성되어 있고, 그 내부에는 시편을 지지하기 위한 시편홀더(4)를 구비하고 있다. 상기 시편홀더(4)는 구동수단(M)의 회전축(Ms)과 연결되어 회전할 수 있도록 구성되어 있다. As shown in FIG. 2, the sputtering apparatus according to the present invention includes a cylindrical chamber Ca and a plurality of sputter guns 1 and 2 installed inside the chamber. The chamber Ca is formed in a cylindrical shape and is provided with a specimen holder 4 for supporting the specimen. The specimen holder 4 is configured to be connected to the rotation axis (Ms) of the drive means (M) to rotate.

본 고안의 스퍼터건은, Ti타겟을 구비하는 3개의 스퍼터건(1)과, Si타겟을 구비하는 3개의 스퍼터건(2)으로 구성되고 있다. 따라서 본 고안에 의한 스퍼터링장치는, 챔버(Ca)의 내부에 설치된 6개의 스퍼터건(1,2)을 구비하는데, 이들중 3ㄷ개는 Si타겟을 구비하고 있고, 나머지 3개는 Ti타겟을 구비하고 있다. The sputter gun of this invention consists of three sputter guns 1 provided with Ti target, and three sputter guns 2 provided with Si target. Therefore, the sputtering apparatus according to the present invention includes six sputter guns 1 and 2 installed inside the chamber Ca, three of which are provided with Si targets, and the other three are provided with Ti targets. Doing.

그리고 상기 Ti타겟을 구비하는 스퍼터건(1)은 각각 120도 간격으로 등간격으로 배치되고, 상기 Si타겟을 구비하는 스퍼터건(2)도 각각 120도의 등간격으로 배치되어 있다. 그리고 상기 스퍼터건(1)와 스퍼터건(2)은 서로 교대로 설치되어 있기 때문에, 실질적으로 본 고안에 의한 스퍼터링장치에서는, 상기 스퍼터건(1,2)은 각각 60도의 간격을 가지는 등간격으로 배치되고, Ti타겟을 구비하는 스퍼터건(1)와 Si타겟을 구비하는 스퍼터건(2)이 각각 교대로 배치되어 있음을 알 수 있다. 따라서 원통형 챔버(Ca)의 내부에 설치되는 스퍼터건(1,2)는 중심부에 설치되는 시편홀더(4)에 의하여 지지되는 시편을 전체적으로 감싸는 형태로 다수개 설치되어 있음을 알 수 있다. The sputter guns 1 having Ti targets are arranged at equal intervals at 120 degree intervals, and the sputter guns 2 having the Si targets are also disposed at equal intervals of 120 degrees. In addition, since the sputter gun 1 and the sputter gun 2 are alternately provided with each other, in the sputtering apparatus according to the present invention, the sputter guns 1 and 2 are each equidistantly spaced at an interval of 60 degrees. It is understood that the sputter gun 1 having the Ti target and the sputter gun 2 having the Si target are arranged alternately. Therefore, it can be seen that a plurality of sputter guns 1 and 2 installed in the cylindrical chamber Ca are installed in the form of completely enclosing the specimen supported by the specimen holder 4 installed in the center.

그리고 본 고안에 의한 챔버(Ca)에는 질소 유입구(3)를 2개소로 설계하고 있다. 이렇게 질소유입구(3)를 2개소로 하는 것에 의하여, 상기 챔버(Ca) 내부의 분위기를 보다 안정적으로 유지할 수 있게 된다. In the chamber Ca according to the present invention, two nitrogen inlets 3 are designed. By using two nitrogen inlets 3 as described above, the atmosphere inside the chamber Ca can be more stably maintained.

실제 증착 시에는 시편홀더(4)가 구동수단(M)에 의하여 회전하게 되는데 시편홀더(4)의 회전속도는 25 rpm까지의 범위 내에서 조절하는 것이 가능하다. 본 고안의 스퍼터링 장치는 도 3, 4에서 나타낸 것과 같이 종래의 장치에 비하여 약 1.5배 높은 증착 수율을 보였으며 약 8 GPa 정도 향상된 경도치를 나타내었다. 도 5는 종래의 스퍼터링 방식과 본 고안에서 얻어진 스퍼터링 장치로 증착된 Ti-Si-N 코팅막의 SEM 단면 사진으로 본 고안으로 얻어진 코팅막이 보다 조밀하고 두꺼운 코팅막으로 성장한 것을 확인할 수 있다. 조밀한 미세구조로 인해 경도 또한 상승한 것으로 확인된다.In actual deposition, the specimen holder 4 is rotated by the driving means M. The rotational speed of the specimen holder 4 can be adjusted within a range up to 25 rpm. The sputtering apparatus of the present invention showed a deposition yield about 1.5 times higher than that of the conventional apparatus as shown in FIGS. 3 and 4, and improved hardness value of about 8 GPa. 5 is a SEM cross-sectional image of the Ti-Si-N coating film deposited by the conventional sputtering method and the sputtering device obtained in the present invention, it can be seen that the coating film obtained by the present invention is grown to a more dense and thick coating film. It was also confirmed that the hardness also increased due to the dense microstructure.

이와 같은 증착수율의 향상은 상기 스퍼터건(1,2)의 갯수와 등간격에 기인하는 것으로 판단된다. 물론 상기 질소유입구(3)를 2개소로 하는 것에 의하여, 챔버 내부의 안정된 분위를 유지하는 것과도 일정한 관련이 있는 것으로 판단된다. 즉 스퍼터건(1,2)의 갯수 및 배치를, 상술한 바와 같이 하는 것에 의하여 챔버 내부에서 균일하면서도 안정된 플라즈마의 형성으로 시편의 증착수율이 높아지게 되고, 조밀한 미세구조 및 이로 인한 경도의 향상을 얻을 수 있는 것으로 판단된다. This improvement in deposition yield is believed to be attributable to the number and spacing of the sputter guns 1 and 2. Of course, by setting the nitrogen inlet 3 at two positions, it is determined that the nitrogen inlet 3 has a constant relation with maintaining a stable atmosphere inside the chamber. That is, the number and arrangement of the sputter guns 1 and 2 as described above result in the formation of a uniform and stable plasma in the chamber, thereby increasing the deposition yield of the specimen, and improving the compact microstructure and the hardness thereof. It seems to be obtained.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 여러 가지 다른 변형이 가능함은 물론이 고, 본 고안은 첨부한 실용신안등록청구의 범위에 기초하여 해석되어야 할 것임은 자명하다.  Within the scope of the basic technical idea of the present invention as described above, various modifications are possible to those skilled in the art, and the present invention is interpreted based on the appended claims of utility model registration. It should be obvious.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 고안은 종래의 Ti-Si-N 코팅막의 증착 방법에서 보다 향상된 물성을 얻을 수 있게 하였으며, 실질적인 산업적 측면에서도 상업화되기 시작한 Ti-Si-N계 경질 코팅막의 생산성 향상과 다양한 분야에서의 응용 효과까지 기대 된다.As described in detail above, the present invention can obtain more improved physical properties in the conventional deposition method of the Ti-Si-N coating film, and improve the productivity of the Ti-Si-N-based hard coating film, which has been commercialized in practical industrial aspects. It is expected to be effective in various fields.

Claims (2)

원통상의 챔버와;A cylindrical chamber; 상기 챔버의 내부에서 등간격으로 원주상으로 배치되고, Ti타겟을 구비하는 3개의 스퍼터건(1)와; 그리고Three sputter guns (1) disposed circumferentially at equal intervals in the chamber and having a Ti target; And 상기 챔버의 내부에서 등간격으로 원주상으로 배치되고, Si타겟을 구비하며, 상기 스퍼터건(1)과 교대로 배치되는 3개의 스퍼터건(2); 그리고Three sputter guns (2) disposed circumferentially at equal intervals in the chamber, having Si targets, and alternately arranged with the sputter guns (1); And 상기 챔버의 내부 중앙부분에 설치되어 시편을 지지하고, 구동원에 의하여 회전하는 시편홀더를 포함하여 구성되는 Ti-Si-N계 코팅막의 증착을 위한 스퍼터링 장치.Sputtering apparatus for the deposition of Ti-Si-N-based coating film is installed in the inner central portion of the chamber to support the specimen, and comprises a specimen holder rotated by a drive source. 제1항에 있어서, 상기 챔버는 대향하는 양측에 설치되는 한 쌍의 질소 유입구를 더 포함하여 구성되는 스퍼터링 장치.The sputtering apparatus of claim 1, wherein the chamber further comprises a pair of nitrogen inlets installed at opposite sides of the chamber.
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