KR200487382Y1 - 음극 아크 플라즈마 증착 시스템에 사용되는 아크 이온 증발기용 필터 장치 - Google Patents

음극 아크 플라즈마 증착 시스템에 사용되는 아크 이온 증발기용 필터 장치 Download PDF

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Abstract

본 고안에 따른 음극 아크 플라스마 증착 시스템에서 사용되는 아크 이온 증발기용 필터 장치는 서로 평행하게 배치되는 다중 직관형 튜브 세트를 특징으로 하는 것으로, 플라즈마 빔을 오염시킬 수 있는 대형 입자의 크기 및/또는 양이 제어될 수 있다. 이 필터 장치는 필터 주위의 코일이 자기장을 발생시켜 타겟 물체 또는 물질로 플라즈마를 유도하는 솔레노이드 코일 세트를 더 포함한다.
본 고안의 필터 장치는 플라즈마 빔 중 다수의 대형 입자를 감소시킬 수 있고 또한 공학적 요구에 맞게 적용하기 위한 고도의 유연성을 갖는 압축 형태로 설계될 수 있다. 또한, 본 고안에 따른 필터 장치는 가시선을 저해하지 않고 플라즈마 이동 방향과 일치됨으로써 다수의 플라즈마가 수득될 수 있어, 플라즈마를 유도하기 위한 감소된 전기 소모 및 합리적인 비용으로 신속 대량 생산을 가능하게 하는 보다 신속한 증착률을 가져온다.

Description

음극 아크 플라즈마 증착 시스템에 사용되는 아크 이온 증발기용 필터 장치{FILTER APPARATUS FOR ARC ION EVAPORATOR USED IN CATHODIC ARC PLASMA DEPOSITION SYSTEM}
본 고안은 진공 아크 기술의 적용에 관한 것이다. 코팅 증착을 위한 아크 이온 증발기로부터 필터링된 플라즈마를 사용함으로써 나노-분말 재료의 합성, 표면 개선을 위한 이온 주입 및 기타 용법이 이 기술에 의해 가능하다.
예를 들어, 본 고안으로부터 수득된 필터링된 플라즈마는 기계 공학, 기구 및 공구 제작, 전자 장비의 제조, 세라믹 재료의 나노-분말 분야 및 다른 산업 분야에서 사용될 수 있지만 이에 한정되지는 않는다.
음극 아크 플라즈마 증착 또는 아크 이온 도금은 현재 절삭 공구, 금형, 다이 및 자동차 부품 코팅에 가장 보편적인 기술이다.
소련의 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 플라즈마 소스의 개발에서 유래된 이 기술은 다양한 요구를 위해 박막을 증착하는 산업에 있어서 매우 효과적인 기술이므로 추가로 점차 개발되어 왔다.
음극 아크 플라즈마 증착의 가장 중요한 개발 방향 중 하나는 플라즈마를 구속하고(confine), 플라즈마 거동을 제어하며, 플라즈마 빔 및 증착된 필름 중 오염된 분자 또는 대형 입자와 같은 거대 입자(macroparticle)의 양을 감소시키는 것이다.
플라즈마를 제어하고, 대형 입자(large particles)를 필터링하기 위해 고안된 많은 필터 장치가 존재한다. 이들 필터는 필요한 결과를 얻기 위해 기계적 및/또는 자기장을 사용하고, 이 필터들은 상이한 장단점을 갖는다.
A. I. Ryabchikov에 의해 소련에서 개발된 기계 장치 중 하나는 대형 베니션-블라인드 필터(Venetian-blind filter)이다.
Ryabchikov의 베니션-블라인드 필터는 대형 프레임을 사용하고, 이 프레임 내부에 복수 개의 평면을 배치한다. 이 평면은 아크 이온 증발기와 공작물의 기판 사이에 배치되는 베니션-블라인드 방식으로 각을 이루고 있다. 이와 같이 베니션-블라인드 필터를 배치하면 아크 이온 증발기와 공작물 사이에서 가시선(line-of-sight)이 확보되지 않는다.
중성 입자 또는 대형 입자가 이 베니션-블라인드 필터의 평면에 충돌할 경우, 이들 입자는 평면에 삽입되거나 다른 방향으로 튀어 나온다. 극도의 고 에너지 수준을 갖는 플라즈마는 베니션-블라인드 필터의 평면들 사이의 공간을 통과할 수 있다.
베니션-블라인드 필터로부터의 보다 나은 플라즈마 수송을 위하여, 이 필터의 각 평면 주위에 자기장을 생성하는데 특정 패턴의 전기 바이어스(electric bias)가 사용된다. 또한, 필터의 평면 주위의 자기장은 베니션-블라인드 구조에서 플라즈마를 가속하는데 도움이 된다.
도 1(선행 기술)은 Ryabchikov의 베니션-블라인드 필터의 원리를 도시한다.
아크 이온 증발기(101)는 양이온 (109), 전자 (113) 및 중성 입자 (111)로 구성된 플라즈마 빔을 생성한다. 양이온 및 전자가 플라즈마 성분인 반면 중성 입자는 원자 크기 내지 수 마이크로미터 또는 그 이상의 대형 입자까지 상이한 크기를 나타낼 수 있다.
또한, 여과에 사용되는 베니션-블라인드 (114) 구조는 서로 평행하게 배치된 대형 직사각형 평면으로 제작된다. 여과의 요구 수준이 높으면, 아크 이온 증발기와 공작물 사이에 가시선이 없어질 때까지 이들 평면이 기울어질 것이다. 보다 높은 플라즈마 수송이 필요할 경우, 전류는 숫자 115로 표시된 방향으로 구체적으로 편향되어야(biased) 한다.
베니션-블라인드 필터의 원리에 대한 보다 명확한 이해를 위하여, 도 2 (선행 기술)는 진공 챔버 내에 설치되는 이 시스템의 개략도를 도시한다. 아크 이온 증발기 (101)는 베니션-블라인드 필터 (114) 구조를 향하는 방향으로 발사하는(beaming) 플라즈마 빔을 발생시킨다. 필터의 평면 (또는 베인(vane) 또는 라멜라(lamella) 또는 그릴(grill)) 세트는 아크 이온 증발기 (101)로부터 공작물 기판 (116)까지의 가시선을 차단하는 각을 이루고 있다. 또한, 이 도 2에서 플라즈마를 보다 효율적으로 수송하려면 베니션-블라인드 필터를 편향시키는 복잡한 전기 시스템이 요구된다는 점에 유의해야 한다. 이러한 복잡성은 이 시스템의 용법을 주로 거대 입자(macroparticle) 오염이 매우 적은 추가의 부드러운 필름을 요구하는 R&D 과제로 제한한다.
도 3 (선행 기술)은 베니션-블라인드 필터에 있어서 플라즈마 수송의 원리를 도시한다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 베니션-블라인드 필터 시스템에서 전기적 편향에 의해서, 자기장 (110)은 필터 각각의 평면 또는 라멜라 (114) 주위에 생성된다. 플라즈마 (109) 및 중성입자 (111)로 구성되는 아크 이온 증발기로부터 플라즈마 빔이 필터 라멜라 (또는 평면)의 컬럼으로 진행할(run into) 경우, 오직 플라즈마만 평면 사이의 공간을 통과하고, 중성 입자는 갇혀(get stuck) 통과할 수 없다.
Frank Weber 및 Samuel Harris에게 발행된 US 특허 제8,382,963 B2호로부터의 도 4 (선행 기술)는, 가시선 모드에서 작동하는 베니션-블라인드 필터 시스템에 대한 그들의 연구 결과를 도시한다. 그들은 대부분의 중성 입자가 아크 이온 증발기의 타켓 표면 (102)에 수직인 궤적을 갖지 않으므로, 대형 입자의 일부를 감소시키기 위해 아크 이온 증발기와 공작물 표면 사이의 가시선을 차단하는 평면을 기울어지게 할 필요 없이 필터의 각 평면 (114) 사이의 깊이 및 공간을 사용하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다. 이 방법으로 수득된 코팅은 거대 입자 오염으로부터 자유롭지 않을 수 있지만, 절삭 공구 및 자동차 부품 코팅에 있어서 충분히 우수하다.
그럼에도 불구하고, 강체 회전자 운동(원 운동)의 형태로 움직이는 것이 플라즈마의 특성이지만, 전술한 바와 같은 상기 필터가 동일 선을 따라 위치하지 않거나, 플라즈마의 움직임과 불일치하여 플라즈마의 불필요한 손실을 초래한다.
도 4 (선행 기술)에 도시된 tan θ crit. = D/S의 수학 식은 아크 이온 증발기의 타겟 (102) 표면으로부터 필터의 평면 (114)으로 배출되는 중성 입자의 임계각을 찾는데 사용된다. 이 필터의 평면이 이 공식으로부터 얻어진 임계값 보다 더 긴 깊이 D를 가지거나 임계값보다 더 낮은 이격 거리(spacing distance) S를 가질 경우 중성 입자는 필터 시스템의 내부에 제한될 것이다.
D는 필터 깊이이다. S는 요소(elements) (평면) 사이의 간격(거리)이다. θ는 중성 입자가 타겟으로부터 배출하는 (방출) 각도이다. Θ crit. 또는 임계각은 필터와의 적어도 한 번의 충돌에 대한 최대 각도이다. 102는 아크 이온 증발기의 타겟 물질이다. 114는 필터의 평면 또는 요소이다. 111은 필터의 평면에 충돌하고 그에 갇히는 중성 입자이다. 111a는 임계각에서 통과할 수 있는 중성 입자이다.
또한, 임계각이 타겟 및 아크 이온 증발기의 설계에 의존하고 도 4 (선행 기술)의 공식을 이용한다는 것에 유념해야 한다. 시스템 설계자는 대형 입자의 여과가 필요한 양을 결정할 수 있다.
보다 나은 플라즈마 수송을 위하여, 상기 미국 특허 제8,382,963 B2호는 플라즈마의 자기장 수송을 위하여 여전히 Ryabchikov의 설계에 따르는 전기적인 편향을 사용한다.
상기 필터의 특성은 베니션-블라인드 필터의 형태이므로, 플라즈마의 일부가 대상(object)을 향하도록 설정된 통로(set path)로부터 벗어나거나, 외측으로 이동할 수 있는 가능성이 있다. 그러므로, 플라즈마를 올바른 통로 또는 방향으로 밀거나 몰아가기 위해서, 필터 및/또는 솔레노이드에 대하여 더 많은 전기에너지를 이용하여 그와 같은 작용을 유발하는 것이 필요하다. 또한 웨버의 설계는 솔레노이드를 아크 소스 주위에 놓고 또한 필터 본체(body) 대비 외부 자기장을 생성하거나 솔레노이드 장이 솔레노이드 영역을 지나 이동할 경우 중심부로부터 플라즈마를 분기시키는 경향이 있다. 그러므로 플라즈마 흐름을 증가시키고 자기장선의 온전함(integrity)을 유지하기 위하여 웨버는 선형 베니션-블라인드 필터 라멜라로의 전기적 바이어스를 사용하여 플라즈마를 필터 시스템 밖으로 인도하는 지지(supporting) 자기장을 발생시켰다.
즉, 웨버는 그의 시스템에 있어서 바이어스된 선형 베니션-블라인드와 함께 작동하는 음극 아크 소스 주위에 배치되는 솔레노이드를 사용함으로써; 필터 제조에 있어서 매우 고비용을 유발할 수 있는 복합 전기 바이어스 시스템을 제조하였다. 그것은 웨버의 자기장선이 외부적이고 복잡하며, 본 고안의 자기장선이 필터 본체에 비해 내부적이고 단순하다는 것을 나타낸다.
웨버 및 Ryabchikov는 플라즈마를 이동시키는 자기장을 만들기 위해 더 높은 전류 (라멜라 및 1 kA 당 30 - 60 A)를 사용한 반면, 이 다중 직관형 튜브 필터는 단지 적은 전류 (단지 3 - 5 A가 요구됨)가 요구되고, 또한 상기 플라즈마는 그 자신을 필터 시스템으로부터 밀거나 몰아가는 것을 돕기 위한 고유의 내부 운동 에너지를 갖는다. 본 고안에 따른 필터 시스템은, 결과적으로, 기존 제품 또는 선행 기술에 비해 더 낮은 에너지 요구량에서 효율적으로 플라즈마를 운송한다.
도 5 (선행 기술)는 독일 드레스덴의 프라운호퍼(Fraunhofer) 연구소에서 제조된 베니션-블라인드 필터 시스템이다. 이것은 Ryabchikov의 설계에 따라 제작된 대형 시스템이고, 다수의 아크 이온 증발기가 이 필터의 일 측에 배치될 수 있다.
그러나, 상기 베니션-블라인드 필터가 대형 입자의 여과에 매우 효과적이고, 사용자의 요구에 따라 설계를 변경할 수 있는 높은 유연성을 갖지만, 고유한 일부 문제점으로 인해 산업 시스템 내에서 낮은 인기를 갖는다. 이러한 문제점의 일부 예는 구조가 크고, 비용 절감을 위해 진공 챔버 내부 공간의 효과적인 사용이 요구되는 진공 챔버 내 대형 공간을 필요로 한다는 것이다. 이 필터 시스템은 자기장을 생성하기 위해 복잡한 전기 바이어스가 필요하므로, 이 필터 시스템의 제작 및 유지 비용 또한 높다. 증착 챔버 내부에서 진공 시스템의 많은 부분에 코팅 재료가 증착될 것이므로, 증착된 재료를 주기적으로 제거할 필요가 있다. 크고 복잡한 시스템은 유지를 위한 설치 제거의 문제를 의미하고, 필터 시스템으로부터 증착된 재료를 제거하기 위하여 보다 큰 세척 또는 시스템이 요구된다.
소련 시절, I. I. Aksenov 등은 음극 아크 증착 시스템으로부터 중성 입자 및 대형 입자의 각(angular) 분포를 연구하였고, 타겟 표면의 25 내지 30도에서 아크 이온 증발기로부터 중성 입자 및 대형 입자의 대부분이 방출되는 경향이 있다는 것을 발견하였다.
이 지식은 소련 내 수많은 연구 기관에서 다수의 스티어링된(Steered) 아크 이온 증발기의 설계에 반영되었다. 아크 이온 증발기의 타겟을 자체 포트 내부에 깊이 배치하고, 중성 및 대형 입자가 포트의 표면에 충돌하는 동안 플라즈마를 내보내기 위하여 솔레노이드 장을 사용함으로써, 이온/중성 비가 더 높아지고 따라서 보다 우수한 코팅을 얻을 수 있다.
도 6 (선행 기술)은 설계 개념을 사용하는 시스템을 도시한다. 포트 (103) 내부에 깊이 배치되는 아크 이온 증발기의 타겟 (102), 또는 상기 타겟이 진공 챔버를 마주하는 둥근 면을 갖는 경우 튜브는 플라즈마를 내보내기 위해 자기장 (또는 솔레노이드 장)을 생성하는 솔레노이드를 갖는다. 솔레노이드 장에 의해 내보내어지는 상기 플라즈마는 진공 챔버 내부의 공작물 (116) 표면을 향해 흐를 것이고, 상기 공작물 표면 상에 코팅을 증착할 것이다.
도 7 (선행 기술)은 솔레노이드 코일 (104)에 의해 생성된 자기장 (110)을 도시한다. 플라즈마가 자기장 선을 따라 이동할 것이므로 이 솔레노이드 장은 아크 이온 증발기의 타겟 (102)으로부터 공작물의 표면 (116)까지 플라즈마를 안내할 수 있다.
솔레노이드 포트를 이용한 필터 시스템은 매우 압축되게 제작될 수 있고, 일대일 방식으로 아크 이온 증발기에 설치될 수 있으므로 이러한 시스템에 필요한 공간이 작다는 장점을 갖는다. 그러나 이러한 종류의 시스템은 아크 이온 증발기의 타겟 직경과 비교할 경우 사용되는 포트가 큰 경향이 있으므로 낮은 여과 효율로 간주되고, 따라서 상당한 양의 중성 입자가 솔레노이드 포트의 벽으로부터 반사될 수 있고, 공작물 표면에 용이하게 내려앉을 수 있다.
또한, 효율 비 당 가격(price per efficiency ratio)이 높지 않으므로, 이 필터 시스템은 구 소련 연방 국가 외부의 산업 공동체에서 크게 확산되지 않는다.
본 고안의 고안자는 새로운 필터 시스템을 개발하기 위하여 상기 시스템의 장 단점을 고려하였다. 이 새로운 시스템은 종래 기술에 기재된 필터 시스템의 장점을 갖고 단점을 감소시킨다.
삭제
본 고안의 고안자는 베니션-블라인드 구조를 사용하는 대신, 서로 평행하게 배치된 다중 튜브를 사용함으로써, 상기 다중 튜브가 아크 이온 증발기의 전방에 배치되는 포트에 설치될 수 있다. 이러한 배치를 사용함으로써 본 고안은 각각의 아크 이온 증발기에 일대일 방식으로 설치될 수 있으므로, 상기 진공 챔버 내부의 체적이 보존될 수 있다. 또한, 보다 나은 플라즈마 수송이 요구될 경우, 상기 솔레노이드 시스템은 더 많은 플라즈마를 내보내기 위한 자기장을 발생시키는데 사용될 수 있다. 상기 솔레노이드 장을 사용함으로써, 베니션-블라인드 필터용 전기-바이어스 자기장 발생기 시스템의 설계 및 생산의 복잡성이 회피될 수 있다.
또한, 베니션-블라인드 시스템은 특히 가시선 모드에서 작동할 경우 일부 방향에서만 효과적이다; 상기 평면(또는 라멜라)가 각도 없이 수평으로 배치되는 경우와 같이, 그것은 수평선을 따라 큰 공간을 남기고 더 많은 대형 입자가 좌우 방향으로 빠져 나가게 할 것이다. 각도 없이 수직으로 배치될 경우, 그것은 수직선을 따라 큰 공간을 남기고 더 많은 대형 입자가 상하 방향으로 빠져 나가게 할 것이다.
그러나 본 고안은 튜브 구조를 사용하므로, 모든 방향으로부터 대형 입자를 차단하고 필터 시스템을 통과하는 더 적은 양의 입자를 남길 것이다.
선행 기술에서 사용된 순수한 솔레노이드 포트 필터와 비교할 경우, 다중 튜브를 사용하는 본 고안은 솔레노이드 포트의 벽 밖으로 반사되는 대형 입자를 효과적으로 차단할 수 있다. 따라서 본 고안은 여과에 있어 보다 효과적이고, 비용 당 보다 우수한 효율을 갖는다.
본 고안의 일 측면에 따르면 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스로부터의 플라즈마 빔 중 대형 입자를 포함하는 중성입자를 필터링하는 직관형 다중 튜브의 병렬 세트를 특징으로 하는, 음극 아크 플라즈마 증착 시스템에서 사용되는 아크 이온 증발기용 필터 장치로서, 상기 다중 직관형 튜브는: 음극 평면에 수직한 가시선 중에 플라즈마 스트림에 대해 투명한 직관형 최내측 튜브(105); 직관형 인접 튜브 세트(106); 서로 평행하게 배치되고 최외측 직관형 튜브(103) 내부에 동심원 상에 수용되는 후속 인접 직관형 튜브 세트(107); 및 필터 시스템 밖으로 플라즈마를 유도하거나 또는 이동시키기 위하여 생성되는 솔레노이드 장 또는 자기장을 위하여 최외측 직관형 튜브(103) 주위에 나선식으로 배치되는, 금속 또는 전기 전도성 와이어로부터 선택되는 솔레노이드 코일 세트(104)를 포함하는 필터 장치를 제공한다.
이때, 상기 필터 장치는 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스를 구비할 수 있다.
이때, 상기 필터 장치는 단일 유닛으로서 내장형(built-in) 장치이거나 상기 아크 이온 증발기 또는 상기 음극 아크 소스에 용접되거나 고정될 수 있다.
본 고안의 다른 측면에 따르면 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스로부터의 플라즈마 빔 중 대형 입자를 포함하는 중성입자를 필터링하는 다중 직관형 튜브의 병렬 세트를 특징으로 하는, 음극 아크 플라즈마 증착 시스템에서 사용되는 아크 이온 증발기용 필터 장치로서, 상기 다중 직관형 튜브는: 음극 평면에 수직한 가시선 중에 플라즈마 스트림에 대해 투명한 직관형 최내측 튜브(105); 인접 직관형 튜브 세트(106); 및 서로 평행하게 배치되고 최외측 직관형 튜브(103) 내부에 동심원 상에 수용되는 후속 인접 직관형 튜브 세트(107)를 포함하는 필터 장치를 제공한다.
이때, 상기 필터 장치는 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스를 구비할 수 있다.
이때, 상기 필터 장치는 단일 유닛으로서 내장형 장치이거나 상기 아크 이온 증발기 또는 상기 음극 아크 소스에 용접되거나 고정될 수 있다.
삭제
이때, 상기 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스는 원통형, 직사각형 평면 또는 뭉툭한 원뿔로부터 선택될 수 있는 소모성 음극을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 필터 장치는 상기 플라즈마 스트림의 운동에너지를 사용하여 상기 필터 시스템 밖으로 플라즈마를 내보낼 수 있다.
이때, 상기 필터 장치는 상기 필터 시스템 밖으로 플라즈마를 이동시키기 위하여 영구 자석 세트 또는 전자기 회로를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 필터 장치는 상기 아크 이온 증발기 또는 상기 음극 아크 소스를 구비할 수 있다.
이때, 상기 필터 장치는 단일 유닛으로서 내장형 장치이거나 상기 아크 이온 증발기 또는 상기 음극 아크 소스에 용접되거나 고정될 수 있다.
이때, 상기 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스는 원통형, 직사각형 평면 또는 뭉툭한 원뿔로부터 선택될 수 있는 소모성 음극을 더 포함할 수 있다.
이때, 필터 장치를 구비하는 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스는 표면 코팅, 박막 증착, 마이크로미터 범위의 특정 구조를 갖는 물질의 합성, 나노미터 범위의 특정 구조를 갖는 물질의 합성, 나노-세라믹 분말과 같은 여러 나노-물질의 합성 또는 다이아몬드-유사 탄소(Diamond-Like Carbon)의 합성의 목적을 포함할 수 있다.
본 고안은 고안자는 베니션-블라인드 구조를 사용하는 대신, 서로 평행하게 배치된 다중 튜브를 사용함으로써, 상기 다중 튜브가 아크 이온 증발기의 전방에 배치되는 포트에 설치될 수 있다. 이러한 배치를 사용함으로써 본 고안은 각각의 아크 이온 증발기에 일대일 방식으로 설치될 수 있으므로, 상기 진공 챔버 내부의 체적이 보존될 수 있다. 또한, 보다 나은 플라즈마 수송이 요구될 경우, 상기 솔레노이드 시스템은 더 많은 플라즈마를 내보내기 위한 자기장을 발생시키는데 사용될 수 있다. 상기 솔레노이드 장을 사용함으로써, 베니션-블라인드 필터용 전기-바이어스 자기장 발생기 시스템의 설계 및 생산의 복잡성이 회피될 수 있다.
또한, 베니션-블라인드 시스템은 특히 가시선 모드에서 작동할 경우 일부 방향에서만 효과적이다; 상기 평면(또는 라멜라)가 각도 없이 수평으로 배치되는 경우와 같이, 그것은 수평선을 따라 큰 공간을 남기고 더 많은 대형 입자가 좌우 방향으로 빠져 나가게 할 것이다. 각도 없이 수직으로 배치될 경우, 그것은 수직선을 따라 큰 공간을 남기고 더 많은 대형 입자가 상하 방향으로 빠져 나가게 할 것이다. 그러나 본 고안은 튜브 구조를 사용하므로, 모든 방향으로부터 대형 입자를 차단하고 필터 시스템을 통과하는 더 적은 양의 입자를 남길 것이다.
선행 기술에서 사용된 순수한 솔레노이드 포트 필터와 비교할 경우, 다중 튜브를 사용하는 본 고안은 솔레노이드 포트의 벽 밖으로 반사되는 대형 입자를 효과적으로 차단할 수 있다. 따라서 본 고안은 여과에 있어 보다 효과적이고, 비용 당 보다 우수한 효율을 갖는다.
도 1 (선행 기술)은 참고문헌 1의 베니션-블라인드 필터의 개략도이다.
도 2 (선행 기술)는 참고문헌 2의 베니션-블라인드 필터의 개략도이다.
도 3 (선행 기술)은 참고문헌 3의 자기장선을 따르는 플라즈마 이동을 도시한다.
도 4 (선행 기술)는 참고문헌 6의 가시선 모드 베니션-블라인드 필터의 임계각을 결정하는데 사용되는 수학식을 도시한다.
도 5 (선행 기술)는 참고문헌 3의 Ryabchikov 타입 베니션-블라인드 필터의 개략도이다.
도 6 (선행 기술)은 참고문헌 5의 솔레노이드 장을 사용하는 필터 장치의 개략도이다.
도 7 (선행 기술)은 참고문헌 5의 솔레노이드에 의해 발생된 자기장의 개략도이다.
도 8 (본 고안)은 병렬 다중 직관형 튜브 필터의 개략적인 측면도이다.
도 9 (본 고안)는 병렬 다중 직관형 튜브 필터의 원리를 도시한다.
도 10 (본 고안)은 원형 면(circular face) 아크 이온 증발기에 대한 병렬 다중 직관형 튜브 필터의 개략적인 정면도이다.
도 11 (본 고안)은 직사각형 면 아크 이온 증발기에 대한 병렬 다중 직관형 튜브 필터의 개략적인 정면도이다
도 12 (본 고안)는 솔레노이드 튜브 내에 배치된 실험상의 병렬 다중 직관형 튜브의 사진이다.
도 13은 거칠기 시험(roughness test) 결과를 나타낸다: 필터링되지 않은 및 필터링된 TiAlSiN 코팅 시료(sample)의 거칠기 평균 (Ra), 거칠기 평균제곱근 (Rq) 및 거칠기 Ten-point mean (Rz)으로, 컷-오프 길이 0.8 및 측정 길이 5 mm에서 수행되었다.
도 14는 필터링된 및 필터링되지 않은 시료(sample)의 TiAlSiN 코팅 전과 후의 비교 거칠기 값을 나타낸다.
도 15는 2,500X에서의 필터링되지 않은 TiAlSiN 코팅의 주사 전자 현미경에서 도출된 사진을 나타낸다.
도 16은 2,500X에서의 필터링된 TiAlSiN 코팅의 주사 전자 현미경에서 도출된 사진을 나타낸다.
도 8 (본 고안)은 본 고안에 따른 아크 이온 증발기의 다중 직관형 튜브 필터 시스템의 원리를 도시한다. 아크 이온 증발기 (101)는 원하는 물질을 증발시키는 음극으로서 설치된 타겟 (102)을 갖는다. 타겟 밖으로 방출된 플라즈마 및 입자는 플라즈마 빔으로부터 중성 및 대형 입자를 필터링하는 병렬 다중 직관형 튜브로 화살표에 의해 도시된 방향으로 이동한다. 상기 병렬 다중 직관형 튜브는 서로 평행하게 배치되고 최외측 직관형 튜브(103) 내부에 수용된 최내측 직관형 튜브 (105), 인접 직관형 튜브 세트(106), 다음 인접 직관형 튜브 세트(107)로 이루어진다. 바람직하게는, 인접 직관형 튜브 세트의 수 또는 양은 설계자의 요구에 따라 2개의 튜브 내지 복수개의 튜브로 존재할 수 있다. 이들 튜브의 깊이 및 공간 거리는 설계자의 실험에 따라 또는 도 4에 도시된 수학식을 사용함으로써 결정될 수 있다.
이러한 배열에 의해 보다 높은 에너지 수준을 갖고 가스보다 더 휘발성인 플라즈마 빔이 병렬 다중 직관형 튜브들 사이의 공간을 통과할 수 있다. 병렬 다중 직관형 튜브 필터 시스템에 대해 꺾인 궤적을 갖는 경향이 있는 중성 또는 대형 입자가 필터에 도달할 때, 그들은 필터 시스템 내에 주입되거나 거기서 정지될 것이다.
보다 나은 플라즈마 수송이 요구될 경우, 전기 솔레노이드 코일 (104)이 최외측 직관형 튜브를 감싸도록 설치될 것이다. 또한, 생성된 솔레노이드 장 (또는 자기장)이 병렬 다중 직관형 튜브에 평행한 필드선을 가지므로, 플라즈마 (및/또는 이온)가 필터 시스템 밖으로 보다 효율적으로 안내될 것이다.
도 8에 도시된 105, 106, 107과 같은 병렬 다중 직관형 튜브 세트 (최 내측 튜브 및 인접 직관형 튜브로 구성됨)의 경우, 시스템의 설계자는 상기 병렬 직관형 튜브 시스템이 전기적으로 플로트(float) 상태를 유지하도록 하거나, 또는 상기 병렬 직관형 튜브 시스템이 아크 이온 증발기의 목표 포텐셜과 비교할 경우 양성이 되게 하여 아크 이온 증발기가 그와 같이 안정하지 않을 경우 안정화 하는 것을 돕거나, 또는 코팅 구조의 더 나은 제어를 위해 상기 병렬 직관형 튜브 시스템이 공작물에 비해 높은 전위장(electric potential field)을 생성하는 것을 보조하게 하거나, 이온 주입을 위해, 또는 공작물의 이온 에칭 등을 위하여, 이와 같은 (그러나 이에 한정되지 않는) 상기 튜브 시스템을 바이어싱하는 기술을 선택할 수 있다.
튜브 구축에 사용되는 재료는 플라즈마 빔의 열 및/또는 부식 특성을 견딜 수 있는 한 다양한 재료로부터 선택될 수 있다. 따라서 시스템의 설계자가 적절하다고 생각하는 방식으로 내화 금속, 금속 합금, 세라믹, 복합 재료 등이 될 수 있다 (이에 국한되지 않음).
도 9 (본 고안)는 본 고안의 병렬 다중 직관형 튜브 시스템 내부에서 일어나는 여과 과정을 도시한다. 플라즈마 빔이 아크 이온 증발기로부터 화살표 방향을 따라 필터 시스템으로 이동할 경우, 자기장에 의해 영향 받을 수 있는 플라즈마 성분 인 양이온 [+ 기호] (109)이 자기장선 (110)을 따라, 또는 솔레노이드 코일 (104)로부터 발생되고, 또한 다중 직관형 튜브 시스템 (최외측 직관형 튜브 (103) 및 내부 튜브 시스템으로 구성됨)에 평행한 솔레노이드 필드 선을 따라 안내될 수 있다. 상기 양이온은 다중 직관형 튜브 시스템을 용이하게 지나도록 안내될 것이지만, 자기장에 의해 영향 받지 않고 다중 직관형 튜브 시스템과 각이 진 궤적 (112)으로 움직이는 경향이 있는 중성 입자 (111)의 경우, 튜브 벽 중 하나와 충돌하여 그곳에서 즉시 정지하거나 반사되어 다중 직관형 튜브 시스템 내부에서 정지될 수 있을 것이다.
도 10 (본 고안)은 본 고안에 따른 병렬 다중 직관형 튜브 필터 시스템의 정면도를 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 튜브 105, 106, 107은 최내측 직관형 튜브, 인접 직관형 튜브 및 다음 인접 직관형 튜브이고, 103은 외측을 둘러싸는 솔레노이드 코일 세트(104)를 갖는 최외측 직관형 튜브이다. 전기-바이어스 시스템 108은 상기 솔레노이드를 바이어싱하기 위해 사용된다.
이 도 10 구조(scheme)와 같은 원형의 정면 구조를 갖는 병렬 다중 직관형 튜브 필터 시스템은 원형 정면 영역을 갖는 타겟을 구비한 아크 이온 증발기에 설치하기에 적합하다.
도 11(본 고안)은 본 고안에 따른 병렬 다중 직관형 튜브 필터 시스템의 정면도를 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 튜브 105, 106, 107은 최내측 직관형 튜브, 인접 직관형 튜브 및 다음 인접 직관형 튜브이고, 103은 외측을 둘러싸는 솔레노이드 코일(104)을 갖는 최외측 직관형 튜브이다. 전기-바이어스 시스템 108은 상기 솔레노이드를 바이어싱하기 위해 사용된다.
이 도 11 구조(scheme)와 같은 직사각형의 정면 구조를 갖는 병렬 다중 직관형 튜브 필터 시스템은 직사각형 정면 영역을 갖는 타겟을 구비한 아크 이온 증발기에 설치하기에 적합하다.
도 12 (본 고안)는 솔레노이드 튜브 내부에 설치된 실험상의 병렬 다중 직관형 튜브의 예시를 나타내는 개략도이다.
도 13은 거칠기 시험(roughness test) 결과를 나타낸다: 본 고안에 따른 필터링되지 않은 및 필터링된 TiAlSiN 코팅 시(sample)료의 거칠기 평균 (Ra), 거칠기 평균제곱근 (Rq) 및 거칠기 Ten-point mean (Rz)으로, 필터링된 코팅 시료(sample)의 거칠기 값은 필터링되지 않은 코팅 시료(sample)보다 낮다.
도 14는 필터링된 및 필터링되지 않은 시료(sample)의 TiAlSiN 코팅 전과 후의 비교 거칠기를 나타내는 것으로, 필터링되지 않은 시료(sample)는 0.0684 um의 평균 거칠기 값의 증가를 갖는다; 반면, 본 고안에 따른 필터링된 시료(sample)는 단지 0.0248 um의 평균 거칠기 값의 증가를 갖는다. 이 결과는, 본 고안에 따른 필터 시스템을 통과한(undergo through) 시료(sample)가 필터링되지 않은 시료(sample)에 비해 63.7% 더 매끄럽다는 것을 명확하게 나타낸다.
또한, 도 15 및 도 16은 2,500 배율 하의 전자 현미경으로부터의 필터 및 비-필터 시스템을 통한 TiAlSiN 코팅의 전과 후 시료의 사진을 나타내는 것으로, 필터링된 시료는 1.5 um/hr의 증착 속도를 갖는다. 필터링된 플라스마 코팅에서 사용되는 압력 조건은 최소 0.1 Pa.로, 본 고안에 따른 압력은 0.1-1.5 Pa, 바람직하게는 0.5-1.5 Pa로 N2 가스에서 설정되었다. 사용된 필터 직관형 튜브 길이는 40 mm이고, 20 mm의 간격을 가졌다. 다중 아크 소스가 구비된 기기에서 수행된 실험에서 사용된 아크 소스의 타입에 따라 비-솔레노이드 코일링된 및 솔레노이드 코일링된 두 타입의 직관형 다중 튜브 필터가 존재하였다. 각 솔레노이드 코일링된 필터는 24 V. 3-5 A에서 전기적으로 편향되었다.
바람직한 구체예의 설명
본 고안의 도 8에 따른 병렬 다중 직관형 튜브 필터 시스템은 원하는 물질을 플라즈마 형태로 증발시키기 위하여 그의 음극으로 설치된 타겟 (102)을 갖는 아크 이온 증발기 (101)로 구성된다. 상기 아크 이온 증발기로부터 발생되는 상기 플라즈마 및 중성 입자는 화살표 방향으로 플라즈마 빔의 밖으로 중성 입자 및 대형 입자를 필터링할 병렬 다중 직관형 튜브 시스템으로 이동할 것이다. 상기 병렬 다중 직관형 튜브는 서로 평행하게 배치되고 최 외측 직관형 튜브 (103) 내에 수용된 최 내측 직관형 튜브 (105), 인접 직관형 튜브 세트(106), 다음 인접 직관형 튜브 세트(107)로 이루어진다. 바람직하게는, 인접 직관형 튜브의 수 또는 양은 설계자의 요구에 따라 2개의 튜브 내지 복수개의 튜브로 존재할 수 있다. 또한, 보다 나은 플라즈마 수송을 위하여, 전기 솔레노이드 코일 (104)이 최 외측 튜브를 감싸며 설치되고, 그에 의해 발생된 자기장 (또는 솔레노이드 장)이 플라즈마를 필터 시스템의 밖으로 보다 효율적으로 인도할 것이다.
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101 : 아크 이온 증발기 102 : 타겟
103 : 최외측 직관형 튜브 104 : 솔레노이드 코일
105 : 최내측 직관형 튜브 106 : 인접 직관형 튜브 세트
107 : 다음 인접 직관형 튜브 108 : 전기-바이어스 시스템

Claims (13)

  1. 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스로부터의 플라즈마 빔 중 대형 입자를 포함하는 중성입자를 필터링하는 직관형 다중 튜브의 병렬 세트를 특징으로 하는, 음극 아크 플라즈마 증착 시스템에서 사용되는 아크 이온 증발기용 필터 장치로서,
    상기 다중 직관형 튜브는:
    음극 평면에 수직한 가시선 중에 플라즈마 스트림에 대해 투명한 최내측 직관형 튜브(105);
    상기 최내측 직관형 튜브(105)와 평행하고 외측을 감싸도록 설치된 인접 직관형 튜브 세트(106);
    서로 평행하게 배치되고 직관형 최외측 튜브(103) 내부에 동심원 상에 수용되는 후속 인접 직관형 튜브 세트(107); 및
    필터 시스템 밖으로 플라즈마를 유도하거나 또는 이동시키기 위하여 생성되는 솔레노이드 장 또는 자기장을 위하여 최외측 직관형 튜브(103) 주위에 나선식으로 배치되는, 금속 또는 전기 전도성 와이어로부터 선택되는 솔레노이드 코일 세트(104)를 포함하되,
    상기 최내측 직관형 튜브(105), 인접 직관형 튜브 세트(106), 그리고 후속 인접 직관형 튜브 세트(107)의 길이는 동일한 길이로 상기 중성입자를 모두 필터링할 수 있는 길이로 이루어지고,
    상기 최외측 직관형 튜브(103)는 상기 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스로부터 상기 최내측 직관형 튜브(105)를 모두 내측에 포함하도록 연장되며, 상기 솔레노이드 코일 세트(104)가 상기 최외측 직관형 튜브(103)의 길이 전체를 감싸도록 설치된 필터 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 필터 장치는 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스를 구비하는, 음극 아크 플라즈마 증착 시스템에서 사용되는 아크 이온 증발기용 필터 장치.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 필터 장치는 단일 유닛으로서 내장형(built-in) 장치이거나 상기 아크 이온 증발기 또는 상기 음극 아크 소스에 용접되거나 고정되는 음극 아크 플라즈마 증착 시스템에서 사용되는 아크 이온 증발기용 필터 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스는 원통형, 직사각형 평면 또는 뭉툭한 원뿔로부터 선택될 수 있는 소모성 음극을 더 포함하는, 음극 아크 플라즈마 증착 시스템에서 사용되는 아크 이온 증발기용 필터 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 필터 장치는 상기 플라즈마 스트림의 운동에너지를 사용하여 상기 음극 아크 플라즈마 증착 시스템 밖으로 플라즈마를 내보내는, 음극 아크 플라즈마 증착 시스템에서 사용되는 아크 이온 증발기용 필터 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 필터 장치는 상기 음극 아크 플라즈마 증착 시스템 밖으로 플라즈마를 이동시키기 위하여 영구 자석 세트 또는 전자기 회로를 더 포함하는, 음극 아크 플라즈마 증착 시스템에서 사용되는 아크 이온 증발기용 필터 장치.
  10. 제8 항 또는 제9 항에 있어서,
    상기 필터 장치는 상기 아크 이온 증발기 또는 상기 음극 아크 소스를 구비하는 음극 아크 플라즈마 증착 시스템에서 사용되는 아크 이온 증발기용 필터 장치.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 필터 장치는 단일 유닛으로서 내장형 장치이거나 상기 아크 이온 증발기 또는 상기 음극 아크 소스에 용접되거나 고정되는, 음극 아크 플라즈마 증착 시스템에서 사용되는 아크 이온 증발기용 필터 장치.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스는 원통형, 직사각형 평면 또는 뭉툭한 원뿔로부터 선택될 수 있는 소모성 음극을 더 포함하는, 음극 아크 플라즈마 증착 시스템에서 사용되는 아크 이온 증발기용 필터 장치.
  13. 제1 항, 제2 항, 제 7항, 제 8항, 제 9항, 제 11항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서,
    필터 장치를 구비하는 아크 이온 증발기 또는 음극 아크 소스는 표면 코팅, 박막 증착, 마이크로미터 범위의 특정 구조를 갖는 물질의 합성, 나노미터 범위의 특정 구조를 갖는 물질의 합성, 나노-세라믹 분말과 같은 여러 나노-물질의 합성 또는 다이아몬드-유사 탄소(Diamond-Like Carbon)의 합성의 목적을 포함하는, 음극 아크 플라즈마 증착시스템에서 사용되는 아크 이온 증발기용 필터 장치.
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