KR20050113546A - 강관의 內外部또는 금속 棒材 및 판재의 外部에 금속 또는 비금속 막을 Sputtering -DC-Magnetron Sputtering ,RF-Sputtering-를 이용해서 형성시키는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강관(鋼管)의 內外部또는 금속 棒材, 금속 판재의 외부에 금속 또는 비금속 막을 Sputtering (DC-Magnetron Sputtering ,RF-Sputtering)를 이용해서 형성시키는 장치와 금속 또는 비금속 막이 형성된 제품에 관한 것이다.

Description

강관의 內外部또는 금속 棒材 및 판재의 外部에 금속 또는 비금속 막을 Sputtering -DC-Magnetron Sputtering ,RF-Sputtering-를 이용해서 형성시키는 장치 {Pipe Sputtering System }

본 발명이 속하는 기술 분야는 물리적인 방법으로 금속박막을 형성 시켜주는 기술로 크게 Sputtering 방법과 증착 방법이 있다. 특히 스퍼터링 방법은 1900년대 초에 그 기술의 기초가 만들어진 기술이다.

최근 까지도 이 기술은 반도체와 LCD 제조 공정및 많은 전기 전자 부품의 제조에 사용되고 있다. 하지만 본 발명은 스퍼터링 기술을 파이프등의 강관에 박막을 형성 시킬 수 있도록 장비를 발명한 것이다.

기존의 강관에 박막을 형성 시키는 방법으로는 주로 전기도금 방법이 사용 되었고 대표적인 제품이 수도 배관용 백색의 아연도금 강관이다. 하지만 전기적으로 이온화 되기 어렵거나 합금강인 경우에는 전기도금이 사실상 불가능 하다.

기존의 강관에 박막을 형성 시키는 방법으로는 주로 전기도금 방법이 사용 되었고 대표적인 제품이 수도 배관용 백색의 아연도금 강관이다. 하지만 전기적으로 이온화 되기 어렵거나 합금강인 경우에는 전기도금이 사실상 불가능 하다.

본 발명은 주로 반도체 분야에 사용되어온 스퍼터링 방법을 강관의 제조 방법에 적용 전기적으로 이온화 하기 어려운 금속및 SUS (스테인레스스틸)과 같은 합금의 금속피막을 강관에 형성 시킬 수 있게 하는 것이다.

본 발명은 크기 2가지로 나누어 설명 되어 진다. 그 중 하나가 모재의 외부에 금속 또는 비금속 피막을 형성시키는 장치이다. 도1를 참고로 해서 설명하면 상기의 장치는 다음 구성 요소에 의해서 달성된다. 챔버內를 진공으로 만든는 진공시스템(1,2,3,4,5). 프로세스 가스를 공급하는 가스 공급부(7); 마그네트 부(6) ; 전원공급부(8)로 크게 이루어 져 있다.

도1에서 진공시스템 구성은 다음과 같이 구성된다. 1)저진공 펌프 ,2) 고진공 펌프 , 3)진공게이지( 측정범위 760torr <->0.1mtorr ),4) Main-Valve, 5) 저진공 밸브로 구성 되어 있다.

스퍼터링 분위기를 만드는 과정 까지를 설명하겠다.

메인벨브(4) Close 인 상태에서 저진공 벨브(1)가 Open 해서 저진공까지 펌핑을 한다. 저진공에 도달하면 저진공 밸브(5) Close 가 되고 APC-Valve(2) ( Auto Pressure Control Valve, 고진공 벨브,Main Valve)가 Open 해서 챔버내부를 고진공으로 만든다. 고진공이 된 다음 가스 차단 벨브가 Open 되면서 MFC를 통해서 정량의 가스가 챔버 내부로 유입되고 이때 APC-Valve가 Valve 개구부의 Conductance를 조정해서 프로세스상 정해진 가스 압력을 만든다.

다음으로는 위에서 언급한 마그네트 部에 대해서 자세하게 설명하겠다. 이는 본 발명의 핵심기술 중의 하나로 여기서 자세하게 설명 하겠다.

마그네트의 극성의 배열과 마그테트의 설치 위치및 설치 방법에 대해서 기술 하겠다. 마그네트 부는 아래에 설명하는 마그네트 회로를 1개 또는N개를 사용 할 수 있으며 , 회전 운동을 할 수도 있다. 또는 회전 운동을 하면서 챔버의 높이 방향으로 상하 왕복 운동을 할 수도 있다. 또는 이 두가지 운동을 동시에 할 수도 있으며, 마그네트가 정해진 위치에 고정 될 수도 있다. 이는 금속피막을 형성시키고자 하는 모재의 길이와 모재의 형상에 따라서 선택적으로 사용될 수 있으며 또는 챔버에 대한 마그네트의 설치 방법에 따라서 선택적으로 사용 될 수있다.

다량의 마그테트를 N 극과 S극을 본 발명에 맞게 설치한 상태를 마그네트 회로라 하면 본 명세서에서는 2개의 마그네트 회로를 설명하겠다.

마그네트 회로 패턴1은 그림 3에서 설명하고 있다. 마그네트를 챔버의 중심을 향하도록 배치하며 이때 챔버 중심방향으로 같은 극성이 설치되도록 한다. 이 패턴의 마그네트회로를 챔버의 길이방향으로는 챔버의 중심방향의 극성이 서로 엇갈리 도록 일정한 간격(D)를 두고 설치 한다. 이 마그네트 회로는 챔버의 길이 방향에 대해서 전체적으로 설치 고정 형태로 될 수도 있으며, 챔버의 길이 방향에 대해서 일부만 설치 마그네트패턴1을 상하 운동을 시킬 수도 있다.

마그네트 회로 패턴2는 그림 4에서 설명 하고 있다. 마그네트를 챔버의 중심을 향하도록 배치며 이때 챔버 중심방향으로 N 극과 S극을 서로 엇갈려 배치한다. 이때 적당한 자력선이 챔버 내부에 발생하도록 마그네트를 일정한 각도(X 도)를 두고 설치한다. 마그네트 회로 패턴2는 챔버의 축방향으로 챔버의 길이 만큼 설치 고정형으로 사용 할 수 있으면 챔버 길이 방향의 일부를 설치 상하 운동을 하면서 회전 운동을 할 수도 있다.

지금부터는 DC 전원을 ON 하는 과정 부터 스퍼터링 되는 과정 까지 설명 하겠다.

챔버 내부가 스퍼터링을 위한 분위기가 되면 위에서 설명한 마그네트의 구성부가

구동형이면 동작하기 시작하고 고정형으로 전자석을 사용하는 경우에는 전자석용 전원이 ON을 하게 된다. 즉 챔버 내부에 DC 마그테트론 스퍼터링을 위한 자장이 형성된다. 위의 모든 상태가 갖추어 지면 DC전원이 ON을 하게 된다. 그림6에서 보듯이 챔버는 음극이 되고 모재는 양극이 된다. 그러면 챔버와 모재사이에 전기장이 형성된다.

그림10에서 보면 최초에 전기장에 의해서 양극으로 가속된 전자는 아르곤 가스와 충돌해서 일의 아르곤원자를 이온화 시키고 대부분은 양극으로 이동 없어 지게 된다. 공간 속에 남아 있던 아르곤 양 이온은 전자보다 무겁기 때문에 시간적으로 공간속에 전자가 없어지고 난 후에 음극에 충돌 하게 된다. 이때 금속의 표면에서 전자 구름을 현성하고 있는 자유전자와 음극을 형성하고 있는 타겟의 원자를 동시에 챔버 내부의 공간으로 스퍼터링을 하게 된다. 이 때 음극으로 부터 튀어 나온 전자는 전기장과 자기장이 교차되는 곳에서 그림과 같이 Trap 되면서 전자가 자기력 선을 중심으로 회전 운동을 하면서 자기력 선을 따라서 진행하게 된다. 이런 물리적 현상으로 인해서 전기장과 자기장이 교차되는 곳에서 높은 에너지를 갖는 전자의 밀도가 매우 높게 형성이 되고 이곳을 지나가는 아르곤 원자와 전자가 충돌 아르곤 원자를 양이온으로 만들어 주게 된다. 이런 과정이 연쇄적으로 일어나면서 챔버 내부에서 매우 빠른 속도로 음극이 스퍼터링되서 양극의 역활을 하고 있는 모재의 표면에 음극의 금속 원자가 쌓여서 박막이 형성 되게 된다.

지금 부터는 강관의 내부에 박막을 형성 시키는 장치에 대해서 설명하고자 한다. 챔버 내부를 프로세스 분위기를 만드는 방법과 마그테트의 회로 구성과 설치 방법은 모재의 외부에 박막을 형성 시키는 것과 일치한다.

DC전원이 ON 이되는 시점 부터 설명 하고자 한다.

그림5 에서 보면 챔버 내부에 들어가 있는 Target 에 음극이 전가 되고 챔버가 되고있는 박막이 형성되어 지는 강관이 양극으로 전위가 걸리게 된다. 그 이후의 프라즈마와 스퍼터링의 원리는 모재 외부에 박막을 형성시켜 주는 것과 내용이 일치 한다.

마지막으로 DC전원대신에 RF전원을 사용한 경우에 대해서 설명 하고자 한다.

RF전원을 걸어주면 RF가 인가된 극의 표면에 전자가 쌓이게 되면서 DC셀프바이어스가 만들어 지게 된다. DC셀프 바이어스가 만들어 지게 되는 현상을 도8에서 간략하게 설명하고 있다. 공간상에 존재하는 전자의 무게는 아르곤 양이온 보다 매우 가볍기 때문에 전극으로 끌려 들어가게 되는데 이때 끌려 들어간 전자는 Breaking회로에 의해서 외부로 나가지 못하고 전극의 표면에 쌓이게 되면서 RF가 인가된 전극을 표면에 음의 전위를 형성 시키게 되는 것이다. 즉 이렇 방법으로 형성된 DC셀프 바이어스가 앞서 설명한 DC-Magnetron Sputtering를 이용한 박막 형성 방법에서의 DC전원을 대치 해서 사용 할 수있다는 것이다.

다음으로는 강관의 외부에 금속 또는 비금속 피막을 형성 시키는 장치에 있어서 모재의 강관을 자동으로 공급해 주는 것에 대해서 설명하겠다.

그림 11을 보면 모재 강관을 척킹 또는 언척킹하는 위한 방법으로 파이프의 내부에서 팽창하는 분할팽창판과 이 분할팽창판을 원복 시켜주는 스프링과, 분할팽창판을 파이프의 내면과 밀착시켜주는 힘을 전가하는 회전 로브와 이 회전로브를 회전 시켜주는 상부 플랜지위에 설치된 회전 모타를 포함하는 장치를 이용해서 파이프를 척킹 또는 언척킹을 하게 된다. 척킹된 강관은 그림 12와 같이 모재 강관을 챔버 내부로 자동으로 Loading하는 방법에 있어 파이프를 척킹할 수 있는 척킹부가 설치된 상부 플랜지와 , 상부 플랜지를 회전과 상하 운동을 가능하게하는 로딩샤프트를 갖는 장치를 이용해서 자동으로 모재 강관을 타겟챔버안으로 이송 시킬 수 있다.

본 발명의 효과는 그 동안 생산 단가가 높아서 우수한 금속재질의 강관(鋼管)을 사용 하지 못 했던 산업기반, 생활기반 시설에 경제적인 가격으로 우수한 금속 재질의 강관(鋼管)을 사용 할 수 있는 길이 열린 것이다.예를 들면 우리의 생활에서 없어서는 안될 상수도 시설에 있어 기존에는 아연 도금강을 사용 일정한 시간이 지나면 녹이 발생하고 이로 인해서 수질 오염및 누수등의 많은 문제가 발생하고 있는데 이런 모든 문제는 현재 사용 되고 있는 강관에 Stainless합금막을 형성 시켜서 사용하면 해결될 수 있는 문제들이다.

도1은 강관 및 금속 봉재, 금속판재의 외부에 금속 박막을 형성 시키는 DC-Magnetron Sputtering의 간략한 개념도 이며, 도1에서는 원형의 파이프가 막이 형성되어 지는 모재로서 Target과 챔버의 역활을 동시에 하는 타겟챔버안에 들어간 상태이다.

1) 고정된 캐소드 전극에 관이 삽입되고 상부의 플랜지가 관을 밀패 시킨후 강관(鋼管)내부를 Pumping한다. 적당한 시점에 Ar(아르곤 가스)을 유입 시켜서 가장 효과적인 플라즈마를 형성 시킬 수 있는 Ar 가스 압을 유지 시킨다.

* 자세한 진공 Process 는 생략함*

2) 적당한 Ar 가스 압이 형성되면 마그네트는 회전을 시작하게 된다. 이 마그네트가 회전하고 난 후에 캐소드에 DC전원이 ON 된다.

3) DC전원이 ON이 되면 최초 소량의 Ar양 이온이 타겟챔버와 충돌 금속내의 자유전자와 타겟챔버로 사용된 물질의 원자가 튀어 나오게된다. 스퍼터링된 원자는 강관(鋼管)에 부착되어 막을 형성시키게 되고 자유전자는 그림10 에서 표시 했듯이 자력선과 전기장이 교차되는 곳에서 ECR 운동을 하게 된다. 중성의 Ar가스가 이 곳을 지나면서 양이온이 되서 다시 타겟챔버와 충돌하게 된다.

위의 과정이 연쇄적으로 발생되면서 강관(鋼管)에 막이 형성되게 된다.

도 8, 도 9는 RF-Sputtering 방법에 대한 간략한 개념도 이다.

전원으로 DC를 사용 하지 안고 RF를 사용한 경우로 모든 과정은 DC-Magnetron Sputtering과 같고 단지 RF에 의해서 발생하는 주기적인 전기장을 통해서 Target표면에 전자층을 형성 시켜서 마치 Target에 DC전원을 공급한 것과 같은 효과를 나타 나게 된다. 이 원리는 도7에서 설명 하고 있다. 이 방법은 강관(鋼管)내부에 비금속 또는 금속 모두를 스퍼터링을 통해서 막을 형성 시킬 수 있는 방법이다.

Claims (7)

1. DC-Magnetron Sputtering 또는 RF-Sputtering 방법으로 Target의 역활과 진공챔버이 역활을 동시에 하는 원통형의 금속 또는 합금의 관 내부에서 강관(鋼管),봉재 및 판재의 외부에 모재로 사용된 금속 또는 비금속 박막을 형성 시켜 주는 장치
2. DC-Magnetron Sputtering 또는 RF-Sputtering 방법으로 모재 역활과 진공챔버이 역활을 동시에 하는 금속 鋼管의 내부에 금속 鋼管내부에 설치된 타겟의 금속 물질의 피막을 형성 시키는 장치.
3. 제 1항과 2항에 있어서

   다음에 설명하고 있는 마그네트 회로를 적용하는 장치 . 마그네트 회로 패턴1은 도 3에서 설명하고 있다. 마그네트를 챔버의 중심을 향하도록 배치하며 이때 챔버 중심방향으로 같은 극성이 설치되도록 한다. 이 패턴의 마그네트회로를 챔버의 길이방향으로는 챔버의 중심방향의 극성이 서로 엇갈리 도록 일정한 간격(D)를 두고 설치 한다. 이 마그네트 회로는 챔버의 길이 방향에 대해서 전체적으로 설치 고정 형태로 될 수도 있으며, 챔버의 길이 방향에 대해서 일부만 설치 마그네트패턴1을 상하 운동을 시킬 수도 있다.

   마그네트 회로 패턴2는 도 4 에서 설명 하고 있다. 마그네트를 챔버의 중심을 향하도록 배치며 이때 챔버 중심방향으로 N 극과 S극을 서로 엇갈려 배치한다. 이때 적당한 자력선이 챔버 내부에 발생하도록 마그네트를 일정한 각도(X 도)를 두고 설치한다. 마그네트 회로 패턴2는 챔버의 축방향으로 챔버의 길이 만큼 설치 고정형으로 사용 할 수 있으면 챔버 길이 방향의 일부를 설치 상하 운동을 하면서 회전 운동을 할 수도 있다.
4. 제 1항에 있어 도 11과 같이 일정한 온도의 액체를 공급하는 열교환기와 액체가 흘러가는 파이프와 이 파이프를 챔버의 외부에 용접 시켜 챔버의 온도를 일정하게 유지 시키는 장치.
5. 제 1항에 있어 도12과 같이 일정한 온도의 기체를 공급하는 송풍기와 챔버의 길이방향으로 일정한 간격으로 설치된 노즐과 이 노즐을 지지하는 지지부로 구성으로 노즐에서 분사되는 일정 온도의 기체에 의해서 챔버의 온도를 일정하게 유지 시켜주는 장치.
6. 제 1항에 있어 모재중 파이프를 챔버 내부로 Loading하기 위한 방법으로 파이프의 내부에서 팽창하는 분할팽창판과 이 분할팽창판을 원복 시켜주는 스프링과, 분할팽창판을 파이프의 내면과 밀착시켜주는 힘을 전가하는 회전 로브와 이 회전로브를 회전 시켜주는 상부 플랜지위에 설치된 회전 모타를 포함하는 장치
7. 제 1항에 있어 모재중 파이프를 챔버 내부로 자동으로 Loading하는 방법에 있어 파이프를 척킹할 수 있는 척킹부가 설치된 상부 플랜지와 , 상부 플랜지를 회전과 상하 운동을 가능하게하는 로딩샤프트를 갖는 장치.