KR20060066632A - 기판에 재료를 캐소드 아크 증착시키기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

기판에 재료를 캐소드 아크 증착시키기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR20060066632A
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아슈미니 카슐
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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

캐소드로 코팅을 도포하기 위한 방법이 제공된다. 이러한 방법은 a) 전원을 포함하고, 제1 단부면과 제2 단부면 사이에서 축 방향으로 연장되는 소정 면적의 증발 표면을 갖는 디스크형 캐소드를 이용하는 캐소드 아크 코터를 제공하는 단계와, b) 증발 표면의 최대 허용 전력 밀도를 결정하는 단계와, c) 전원으로부터 캐소드로 임의의 크기의 전류를 인가하는 단계로서, 상기 면적으로 나눈 전류의 크기는 증발 표면의 최대 허용 전력 밀도 이하인 단계를 포함한다.
캐소드, 캐소드 아크 코터, 증발 표면, 전력 밀도, 코팅

Description

기판에 재료를 캐소드 아크 증착시키기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CATHODIC ARC DEPOSITION OF MATERIALS ON A SUBSTRATE}
도1은 본 발명의 캐소드 아크 증착 장치의 개략도.
도2는 내부에 자기장 발생기가 배치되어 있고, 캐소드와 접촉하는 접촉기의 개략도.
도3은 자기장 형상을 도시하는 접촉기, 자기장 발생기 및 캐소드의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 캐소드 아크 코터
12 : 용기
14 : 진공 수단
16 : 캐소드
18 : 접촉기
22 : 냉각제 공급원
34 : 플래터
72 : 액츄에이터
82 : 기판
본 발명은 대체로 코팅을 증착하는 장치에 관한 것이며, 특히 캐소드 아크 증착 장치에 관한 것이다.
기판에 코팅을 도포하기 위한 수단으로서 증착은 화학 증착, 물리 증착 및 캐소드 아크 증착과 같은 방법을 포함하는 공지된 기술이다. 화학 증착은 반응성 기상 요소를 하나 이상의 피코팅 기판을 수납하는 증착 챔버로 주입하는 단계를 포함한다. 물리 증착은 소기된 증착 챔버에 소스 재료 및 피코팅 기판을 제공하는 단계를 포함한다. 소스 재료는 저항, 유도 또는 전자 비임 수단에 의한 가열과 같은 에너지 입력에 의해 증기로 변환된다.
캐소드 아크 증착에서는 소스 재료 및 피코팅 기판이 소기된 증착 챔버내에 위치된다. 챔버는 단지 소량의 가스를 포함한다. 직류(DC) 전원의 음의 리드는 소스 재료(이하에는 "캐소드"로 칭함)에 부착되고 양의 리드는 아노드 부재에 부착된다. 아노드의 전위와 동일하거나 그와 비슷한 전위에서 아크 개시 트리거는 캐소드와 접촉된 후 캐소드로부터 멀어진다. 트리거가 캐소드에 매우 근접하여 정지되어 있을 때, 트리거와 캐소드 사이의 전위 차이는 전기적 아크가 그 사이에서 연장되도록 한다. 트리거가 더 멀어짐에 따라, 아크는 캐소드와 아노드 챔버 사이에서 발생된다. 아크가 캐소드의 표면에 접촉되는 정확한 지점(들)을 아크 스팟(arc spot)으로 칭한다. 조향 기구가 없기 때문에, 아크 스팟은 캐소드의 표면 주위로 임의로 이동될 것이다.
아크 스팟에서 아크에 의해 부여되는 에너지는 강하다. 즉, 몇 마이크로 초 동안 평방 센티미터당 105 내지 107 암페어 정도이다. 에너지의 세기는 아크 스팟의 국부 온도를 캐소드 재료의 비등점(소기된 챔버 압력에서)과 대략 동일하게 올린다. 그 결과, 아크 스팟에서 캐소드 재료는 원자, 분자, 이온, 전자 및 미립자를 포함한 플라즈마로 증발된다. 캐소드로부터 유리된 양으로 대전된 이온은 양으로 대전된 이온에 대하여 음의 전위를 갖는 증착 챔버내의 임의의 물체를 향해 견인된다. 몇몇 증착 방법은 코팅되는 기판을 아노드와 동일한 전위로 유지시킨다. 다른 방법은 기판의 포텐셜을 낮추도록 바이어스 소스를 사용함으로써, 기판은 양으로 대전된 이온으로 비교적 더 견인된다. 어느 경우던지, 기판은 캐소드로부터 유리된 증발된 재료로 덮인다.
종래에는 캐소드 아크 증착은 기판에 비교적 얇은 코팅(2 내지 5 mil; 1 mil = 25.4 미크론 = 25.4 x 10-6 m)을 도포하기 위해 사용되었다. 통상적으로 캐소드 아크 코터(coater)의 증착률은 비교적 느리지만(예를 들면, 0.3 mil/시간), 얇은 코팅의 관점에서 중요한 관심사가 아니었다. 현재 입수가능한 캐소드 아크 코터의 증착률로 코팅을 도포하기 위해서는 상당한 시간이 필요하기 때문에, 비교적 두꺼운 코팅(10 내지 100 mil)을 도포하는 것은 실용적이지 않았다(예를 들면, 0.3 mil/시간으로, 150 mil 두께의 코팅을 하는데 적어도 500 시간이 걸린다).
인가된 전류를 단지 증가시킴으로써 종래의 캐소드 아크 코터의 증착률을 약간 증가시키는 것이 가능할 수 있다. 그러나 현재 입수가능한 장치에서는 증착률 의 증가는 제한적이다. 현재 입수가능한 캐소드 아크 코터의 전류를 현저하게 증가시키는 것은 아크 부근에서 캐소드의 일부가 바람직하지않게 용융되거나 바람직하지않은 가시적인 미립자가 유리될 가능성을 증가시킬 수 있다. 또한, 현재에 입수가능한 대부분의 캐소드 아크 코터는 심한 손상 없이 전류의 상당한 증가를 수용할 수 없다.
요약하면, 높은 증착률로 작동할 수 있는 기판에 재료를 캐소드 아크 증착하기 위한 장치 및 방법이 필요하다.
본 발명에 따라, 캐소드 아크로 코팅을 도포하기 위한 방법이 제공된다. 이러한 방법은 a) 전원을 포함하고 디스크형 캐소드를 이용하는 캐소드 아크를 제공하는 단계로서, 상기 캐소드는 제1 단부면과 제2 단부면 사이에서 축방향으로 연장된 증발 표면을 갖고, 증발 표면은 임의의 영역을 가지는 단계와, b) 증발 표면의 최대 허용 전력 밀도를 결정하는 단계와, c) 전원으로부터 캐소드로 임의의 크기의 전류를 인가하는 단계로서, 임의의 영역에 의해 분할되는 전류 크기는 증발 표면의 최대 허용 전력 밀도 이하인 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 방법의 장점은 캐소드 아크 증착 방법이 상용으로 실용적인 시간 내에 두꺼운 코팅(예를 들면, 10 내지 200 mil)을 기판에 도포하는 것이 가능하다는 것이다. 본 발명에 따른 방법 및 장치는 증착률을 시간당 4.0 mil 이상으로 올려서, 현재에 입수가능한 공지된 캐소드 아크 코터에 의해 가능한 증착률의 두 배 이상 되도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 장치 및 방법의 다른 장점은 캐소드의 세기가 침식 처리 동안 유지되는 것이다. 본 발명은 캐소드의 바람직하지않은 용융 또는 바람직하지않은 가시적 미립자 형성없이 높은 크기의 전류를 이용하여 캐소드가 침식되도록 한다.
본 발명의 상기 및 그 외의 목적, 구성 및 효과는 첨부된 도면에 도시된 바와 같은 양호한 형태의 실시예의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도1을 참조하면, 이후에는 "캐소드 아크 코터"(10)로 칭해지는 기판에 캐소드 아크 증착하기 위한 장치에는 용기(12), 용기(12)의 진공 상태를 유지하기 위한 수단(14), 캐소드(16), 접촉기(contactor)(18), 및 캐소드(16)와 아노드 사이에 전기 에너지 아크를 유지하기 위한 수단(20)이 구비되어 있다. 냉각제 공급원(22)은 용기(12)와 접촉기(18) 내의 냉각 통로를 통하여 냉각제를 순환시킴으로써 허용 온도 내로 코터(10)를 유지한다. 양호한 실시예에서, 용기(12)의 진공 상태를 유지하기 위한 수단(14)은 용기(12)의 내부에 파이프로 연결된 기계식 저진공 펌프(rough vacuum pump) 및 고용량 확산형 진공 펌프를 포함한다. 다른 진공 수단이 대안으로서 사용될 수 있다. 본 명세서에 기술된 캐소드 아크 코터(10)는 본 명세서에서 참조된 미국 특허 제6,036,828호에 개시되어 있다.
도1 내지 도3을 참조하면, 캐소드(16)는 한 쌍의 단부면(26, 28) 사이에서 연장되고, 축방향으로 연장된 증발 표면(24)을 갖는 대체로 원통형 디스크이다. 증착되는 코팅이 캐소드(16)의 재료 조성을 규정한다. 단부면(26, 28)은 대체로 서로 평행하다. 캐소드(16)의 축방향 길이(30)는 캐소드(16)의 증발 표면(24)을 따른 침식 패턴(32)(가상으로 도시됨)의 예상되는 최종 폭 이상이다. 단부면들 사이에 침식 패턴(32)을 유지하는 것은 아크가 캐소드(16)의 증발 표면(24)을 이탈할 가능성을 최소화한다.
캐소드(16)는 특정한 전력 밀도 값일 때 발생하는 최대 허용 증발 표면(24) 열전달 플럭스(flux)를 갖는다. 용어 "열전달 플럭스 값"은 캐소드(16)의 단위 증발 표면(24) 영역에 존재하는 평균 열전달 값으로 정의된다. 용어 "전력 밀도"는 증발 표면(24)의 면적으로 나눈 캐소드(16)로 주입되는 전력의 크기(즉, "캐소드 전류량(amperage)")로 정의된다. 캐소드(16)로 주입된 캐소드 전류량/전기 에너지의 일부는 캐소드(16)와 아노드 사이에서 연장된 전기적 아크에 의해 캐소드(16)를 빠져나가지만, 에너지의 상당한 부분은 열 에너지 형태로 캐소드(16)를 빠져나간다. 열 에너지는 캐소드 재료(예를 들면, 더 전기적으로 도전성인 캐소드는 덜 전기적으로 도전성인 캐소드보다 적은 열 에너지를 발생한다)에 의해 제공되는 전기 저항의 함수이다. 본 발명에 따르면, 증발 표면(24)을 빠져나가는 열 플럭스(열 에너지/단위 면적)는 특정한 값보다 작아야한다. 주로 캐소드 재료에 따르는 상기 값은 특정한 전력 밀도 값과 연관되고, 가시적 미립자 생성을 허용 수준으로 유지하면서 상기 캐소드 재료에 대하여 발생될 수 있는 최대 열 전달량에 의해 규정된다. 허용 수준은 적용에 따르지만, 모든 경우에 있어서 허용 수준은 열 에너지가 발생하여도 예상되는 적용에 대하여 실시가능한 코팅을 생성할 수 있는 정도이다. 예가 이하에 제공된다.
캐소드 증발 표면(24)은 소정의 캐소드 전류량에 대한 최대 허용 열전달 플럭스 값 이하인 증발 표면(24)을 통한 평균 열전달 플럭스를 차례로 발생시키는 전력 밀도를 생성하도록 크기가 정해진다. 아크 지점에서 열전달은 최대 허용 열전달 플럭스 값보다 크다.
코팅되는 기판(82)은 용기(12) 내외로 양호하게 구름 운동하는 플래터(platter)(34)에 장착된다. 플래터(34)는 기판(82)을 회전시키기 위한 수단(도시 안됨)을 포함한다.
접촉기(18)는 샤프트(38)에 부착된 헤드(36)를 포함한다. 헤드(36)는 용기(12) 내에 위치되고 샤프트(38)는 헤드(36)로부터 용기(12) 외부로 연장된다. 절연 디스크(40)(도1 참조)는 접촉기(18)를 용기(12)로부터 전기적으로 절연시킨다. 접촉기(18)는 양호하게는 샤프트(38) 내에 동축으로 위치된 냉각 튜브(42), 냉각 튜브(42)에 연결된 냉각제 유입 포트(44)(도1 참조) 및 동축인 냉각 튜브(42)와 샤프트(38) 사이에 형성된 통로(48)에 연결된 냉각제 방출 포트(46)를 더 포함한다. 냉각 튜브(42)와 샤프트(38) 사이의 동축 배열은 냉각제 공급원(22)으로부터의 냉각제가 냉각 튜브(42)로 유입되고 샤프트(38)와 냉각 튜브(42) 사이의 통로(48)를 거쳐서 되돌아오게 하거나, 또는 역으로 가능하게 한다.
접촉기(18) 헤드는 컵(50), 샤프트 플랜지(52) 및 자기장 발생기(54)를 포함한다. 샤프트 플랜지(52)는 샤프트(38)에 고정되고 컵(50)은 샤프트 플랜지(52)에 제거가능하게 부착된다. 컵(50), 샤프트 플랜지(52) 및 샤프트(38)는 구리 합금과 같은 전기적으로 도전성인 재료로 제조된다.
자기장 발생기(54)는 강자성 중앙부(56) 및 복수의 자석(58)을 포함한다. 중앙부(56)는 두 개의 단부면(62) 사이에서 연장된 적어도 하나의 측면(60)을 포함한다. 자석(38)은 양호하게는 영구 자석이지만, 전자석과 같은 다른 자기장 공급원이 사용될 수 있다. 자석(38)은 중앙부(56)에 부착된다. 모든 실시예에서, 자석(38)의 수는 공정을 즉시 조절하도록 변화될 수 있다.
도1 및 도2를 참조하면, 자기장 발생기(54)를 회전시키기 위한 장치(64)가 포함되어 있다. 회전 장치(64)는 냉각제 튜브(42)를 통하여 헤드(36)로 연장되어 강자성 중앙부(56)와 연결되는 로드(66)를 포함한다. 로드(66)의 대향 단부는 구동 벨트(70)를 거쳐서 가변 속도 구동 모터(68)에 연결된다.
몇몇 실시예에서, 캐소드 아크 코터(10)는 접촉기(18)를 선택적으로 구동시켜 캐소드(16)와 전기적으로 접촉하기 위한 액츄에이터(72)를 포함한다. 액츄에이터(72)는 용기(12)와 접촉기 샤프트(38)에 부착된 샤프트 플랜지(76) 사이에서 (예를 들면, 유압식 또는 공압식)작동하는 한 쌍의 양방향 구동 실린더(74)를 포함한다. 기계적 장치가 구동 실린더(74) 대신에 사용될 수 있다. 상용으로 입수할 수 있는 제어기(도시 안됨)가 실린더(또는 기계적 장치)의 위치 및 힘을 제어하도록 사용될 수 있다.
캐소드 아크 코터(10)는 기판(82)을 전기적으로 편향시키기 위한 바이어스 소스(78)를 포함한다. 아노드에 대하여 기판(82)을 음으로 편향시키는 것은 기판(82)을 캐소드(16)로부터 유리된 양이온으로 전기적으로 견인되게 한다. 접촉부는 바이어스 소스(78)를 플래터(34)에 전기적으로 연결한다. 따라서, 플래터(34)에 전기적으로 연결된 기판(82)은 바이어스 소스(78)에 전기적으로 연결된다. 기판(82)을 바이어스 소스(78)에 전기적으로 연결하기 위한 다른 수단이 대안으로서 사용될 수 있다.
디플렉터 실드(deflector shield;80)는 증발된 캐소드 재료를 기판(82)의 영역에 한정하도록 코터(10) 전체에 걸쳐 사용된다. 용기(12), 플래터 및 접촉기(18)에 부착된 디플렉터 실드(80)는 또한 기판 표면에 형성되는 바람직하지 못한 물질을 최소화한다. 양호한 실시예에서, 용기(12)에 부착된 디플렉터 실드(80)는 용기(12)에 전기적으로 연결되고 스테인레스 강과 같은 전기적으로 도전성인 내식성 재료로 이루어진다.
캐소드(16)와 아노드 사이에 전기 에너지 아크를 유지하기 위한 수단(20)은 직류(D.C.) 전원을 포함한다. 양호한 실시예에서, 전원의 양의 리드가 용기(12)에 연결됨으로써, 용기(12)가 아노드로서 기능한다. 전원의 음의 리드는 접촉기 샤프트(38)에 전기적으로 연결된다. 다른 실시예는 용기(12) 내에 배치된 아노드(도시 안됨)를 사용할 수 있다. 용기(12)의 전위에서나 그와 비슷한 전위에서 유지되는 아크 개시체(81)는 아크를 개시하도록 사용된다.
도1을 참조하면, 본 발명의 캐소드 아크 코터(10)의 작동에서, 복수의 기판(82) 및 캐소드(16)는 플래터(34)에 부착되어 용기(12)에 적재된다. 기판(82)은 미리 탈지되어 대체로 청결하지만, 다소의 분자 오염물 및 산화물이 기판의 외부면에 잔류할 수 있다. 접촉기(18)가 캐소드(16)에 전기 접촉되도록 구동 실린더(74)가 이어서 가동되고 용기(12)가 폐쇄된다.
기계식 저진공 펌프는 용기(12)를 소정의 압력으로 소기하도록 작동된다. 그러한 압력에 도달하면, 고용량 확산 진공 펌프가 용기(12)를 진공 상태에 근접하도록 더 소기시킨다. 그 후 기판(82)은 "스퍼터 세척"과 같은 방법에 의해 잔류하는 임의의 오염물 및/또는 산화물이 세척된다. 스퍼터 세척은 종래기술에 공지되어 있는 방법이며 본 명세서에서는 상세하게 기술되지 않는다. 다른 세척 방법이 대안으로서 사용될 수 있다. 기판(82)이 세척된 후, 오염물은 불활성 가스를 통상적으로 사용하여 세척된다.
아크를 개시하기 전에, 몇몇 단계가 수행된다. 기판(82)이 바이어스 소스(78)를 거쳐서 전기적으로 편향되어, 캐소드(16)로부터 방사된 양의 이온으로 견인된다. 기판(82)이 소정의 회전 속도로 회전된다. 전원이 소정의 전류를 갖는 아크를 형성하는 캐소드 전류량을 생성하도록 조절되지만, 아크는 개시되지 않는다. 진공 펌프가 용기(12) 내에 소정의 진공 가스 압력을 형성하여 유지하도록 작동된다. 냉각제가 용기(12) 및 접촉기(18) 내의 냉각 통로를 통하여 순환된다. 특정한 처리 파라미터는 기판 재료, 코팅되는 재료 및 소정의 코팅 특성 등과 같은 인자에 따를 것이다.
전술된 단계가 완료되면, 아크 개시체(81)가 캐소드(16)의 증발 표면(24)과 접촉되고 떨어짐으로써, 아크가 아크 개시체(81)와 증발 표면(24) 사이에 형성된다. 이어서 아크 개시체(81)가 캐소드(16)로부터 양호하게는 기판(82)의 방사상 외측으로 소정 거리 이동된다. 아크 개시체(81)가 캐소드(16)에 근접해 있지않으면, 아크는 캐소드(16)와 용기(12)에 전기적으로 연결된 디플렉터 실드(80)의 사이 에(또는 캐소드(16)와 용기(12) 사이에 직접적으로) 형성된다.
접촉기(18)에 위치된 자기장 발생기(54)는 캐소드(16)의 증발 표면(24)을 따라 아크 스팟을 이동시킨다. 특히, 측부 자석 각각은 캐소드에 퍼져서 캐소드 증발 표면(24)에 대체로 평행하게 흐르는 자기장을 생성한다. 자기장 벡터(57)의 방향은 자극의 배향에 따르고, 모든 자석(58)은 유사한 방식으로 배향된다. 한편, 전기적 아크를 나타내는 벡터(59)는 증발 표면(24)으로부터 대체로 수직인 방향으로 연장된다. 자기장 및 아크의 전류는 함께 아크를 캐소드(16)의 주연 주위로 임의의 거리로 이동시키는 아크에 대한 힘(홀 효과)을 발생한다. 임의의 특정 아크 스팟에서 아크의 정지 시간은 홀 효과 힘에 역관계이다. 즉, 홀 효과 힘의 증가는 정지 시간을 감소시킨다. 당해 기술 분야의 숙련자는 정지 시간을 감소하는 것이 증착된 코팅의 비균일성 및 표면 마무리에 역효과를 줄 수 있는 가시적 미립자의 발생을 감소시킨다는 것을 알 것이다.
강자성 중앙부(56)의 측면(들)을 따라 배치된 자석(58)의 개별 자기장은 서로 밀접하게 주연방향으로 근접해 있고, 공동으로 아크가 아크 경로를 따라 캐소드 증발 표면(24)을 둘러싸도록 한다. 자석(58)의 수, 자석(58)으로부터 발산된 자기장의 상대 간격 및 자석의 자기장의 세기는 적용을 즉시 만족시키도록 조절될 수 있다. 그러나, 몇몇 적용에서는, 강자성 중앙부(56)의 중앙에 근접하여 배치된 자석(84)(도3 참조)을 더 포함하는 것이 바람직하다. 중앙에 위치된 자석의 자기장은 강자성 중앙부의 측면(60)을 따라 배치된 자석(58)으로부터 발산된 자기장의 형상에 양호하게 영향을 주는 것으로 여겨진다.
아크에 의해 전달된 에너지는 재료가 아크 스팟에서 증발되게 하여, 캐소드(16)로부터 원자, 분자, 이온, 전자 및 미립자를 유리시킨다. 편향된 기판(82)은 이온을 견인하여 이온이 기판(82)을 향해 가속되게 한다. 이온은 기판(82)의 외부면에 충돌되어 부착되고 캐소드 재료의 코팅을 집합적으로 형성한다.
재료가 캐소드(16)로부터 유리되어 용기(12) 내의 기판(들) 상으로 증착되는 비율(즉, 증착률)은 주로 캐소드 전류량의 크기의 함수이다. 소정의 캐소드 재료에 대한 최대 증착률은 캐소드(16)의 증발 표면(24)의 최대 허용 열전달 플럭스 값에 의해 규정되며, 이는 아크 전류 크기의 함수이다.
특정 재료로 구성된 소정의 디스크형 캐소드(16)의 최대 허용 열전달 플럭스는, 밀도, 입자 크기 등을 결정하도록 도포된 코팅을 검사하는 것은 포함하지만 이에 제한되지 않는 실험적인 방법에 의해 결정될 수 있다. 최대 허용 열전달 플럭스 및 전력 밀도가 소정의 캐소드 재료에 대하여 공지되면, 결정된 최대 허용 열전달 플럭스 값 이하에서 열전달 플럭스를 유지하는 비율로 캐소드 전류량 및 캐소드(16)의 표면 영역 모두를 증가시킴으로써 증착률이 증가될 수 있다.
예로서, 티타늄 합금(예를 들면, Ti-8Al-1Mo-1V)으로 구성된 10.16 cm(4 in)의 직경 및 5.08 cm(2 in)의 축방향 높이를 갖는 캐소드(16)가 제공된다. 캐소드 전류량이 캐소드(16)에 인가되고 가시적 미립자의 주파수 및/또는 크기와 캐소드 용융이 소정의 허용 수준을 초과할 때까지 증가된다. 다른 캐소드 전류량에서 도포된 코팅을 분석하는 것은 소정의 허용 수준을 설정하도록 필요한 정보를 제공한다. 경험에 의하면, 전술된 10.16 cm(4 in)의 직경을 갖는 티타늄 합금 캐소드 (16)에 인가된 450 암페어의 전력은 증발 표면(24)의 단위 센티미터당 대략 2.48 암페어(단위 인치당 16 암페어)의 전력 밀도를 생성하고, 차례로 캐소드(16)의 증발 표면(24) 외부로의 최대 허용 열전달 플럭스를 발생시킨다. 450 암페어의 캐소드 전류량에서 증착률은 시간당 대략 1.5 mil 내지 2.0 mil의 범위이다. 동일한 캐소드(16) 형상에 인가된 전력의 크기를 증가시키는 것은 더 높은 증착률을 가져오지만, 도포된 코팅은 덜 바람직하다.
예를 들면, 축방향 높이는 5.08 cm(2 in)를 유지하면서 직경을 15.24 cm(6 in)로 증가시켜 캐소드의 증발 표면 영역을 증가시키는 것은 전력 밀도 및 증발 표면(24) 외부로의 열전달 플럭스를 감소시킨다. 그 결과, 캐소드(16)에 인가된 전류가 증가할 수 있다. 전술된 티타늄 합금으로 구성된 15.24 cm(6 in)의 직경을 갖는 캐소드(16)에 인가된 대략 600 암페어의 전류는, 450 암페어가 10.16 cm(4 in)의 직경을 갖는 캐소드(16)에 대하여 발생시키는 것과 동일한 전력 밀도 및 열전달 플럭스를 발생시킨다. 그러나, 600 암페어의 캐소드 전류량에서, 증착률은 시간당 대략 3.5 mil 내지 4.0 mil의 범위 내로 증가된다. 즉, 적어도 두 배의 증착률이 10.16 cm(4 in)의 직경을 갖는 캐소드(16)에서 가능하다.
도1을 참조하면, 충분한 두께의 코팅이 기판(82)에 증착될 때, 전원은 전원이 끊어지고 아크가 소멸된다. 용기(12)는 불활성 가스로 세척되고 대기압으로 된다. 접촉기(18)가 구동되어 캐소드(16)와 분리되고 플래터는 용기(12)로부터 제거된다. 이어서 기판(82)이 플래터로부터 제거되고 새로운 기판(82)이 부착된다. 그 후, 적재된 플래터가 전술된 방식으로 용기(12)로 다시 삽입되고 처리가 반복된 다.
본 발명은 본 발명의 상세한 실시예에 대하여 도시되고 기술되었지만, 당해 기술 분야의 숙련자는 본 발명의 형태 및 상세항의 다양한 변경예가 본 발명의 기술 사상 및 범주에서 벗어나지 않고 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.
본 발명에 따르면, 상용으로 실용적인 시간 내에 두꺼운 코팅을 기판에 도포할 수 있는 캐소드 아크 증착 방법을 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 캐소드 아크 코터로 코팅을 도포하기 위한 방법이며,
    전원을 포함하고, 제1 단부면과 제2 단부면 사이에서 축 방향으로 연장되는 소정 면적의 증발 표면을 갖는 디스크형 캐소드를 이용하는 캐소드 아크 코터를 제공하는 단계와,
    증발 표면의 최대 허용 전력 밀도를 결정하는 단계와,
    전원으로부터 캐소드로 소정 크기의 전류를 인가하는 단계를 포함하며,
    상기 면적으로 나눈 전류의 크기는 증발 표면의 최대 허용 전력 밀도 이하인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 결정 단계는 캐소드로부터 유리된 재료로 이루어진 도포된 코팅을 분석하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 도포된 코팅은 가시적 미립자의 존재 여부에 관해서 분석되는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 결정 단계는 디스크형 캐소드를 분석하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 디스크형 캐소드는 캐소드 용융이 나타나는지 여부에 관해서 분석되는 방법.
  6. 캐소드 아크 코터로 코팅을 도포하기 위한 방법이며,
    전원을 포함하고, 임의의 직경, 및 제1 단부면과 제2 단부면 사이에서 연장하는 증발 표면을 갖는 디스크형 캐소드를 이용하는 캐소드 아크 코터를 제공하는 단계와,
    증발 표면의 최대 허용 열전달 플럭스 값을 결정하는 단계와,
    전원 공급원으로부터 캐소드로 전류를 인가하는 단계를 포함하며,
    전류는 증발 표면의 최대 허용 열전달 플럭스 값 이하인 증발 표면의 열전달 플럭스를 발생시킬 수 있는 크기를 가지는 방법.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8968528B2 (en) * 2008-04-14 2015-03-03 United Technologies Corporation Platinum-modified cathodic arc coating
US8211234B2 (en) * 2008-09-02 2012-07-03 United Technologies Corporation Coater platter homing tool
US10704136B2 (en) * 2013-03-05 2020-07-07 Raytheon Technologies Corporation Cathodic arc deposition stinger
US9786474B2 (en) 2013-10-08 2017-10-10 United Technologies Corporation Cathodic arc deposition apparatus and method
US20170016745A1 (en) * 2014-03-24 2017-01-19 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Magnetic sensor
WO2016056179A1 (ja) * 2014-10-09 2016-04-14 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 磁気センサ

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0285745B1 (de) * 1987-03-06 1993-05-26 Balzers Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtungen zum Vakuumbeschichten mittels einer elektrischen Bogenentladung
DE4109213C1 (en) 1991-03-21 1992-04-09 Forschungsgesellschaft Fuer Elektronenstrahl- Und Plasmatechnik Mbh, O-8051 Dresden, De Arc-source for vacuum coating system - comprises cathode housing with double walled shell, and thin base, target, cooling water supply, drain, etc.
JPH06506986A (ja) 1991-04-29 1994-08-04 ナウチノ−プロイズボドストヴェノーエ・プレドプリェティエ・“ノヴァテク” ガス放電プラズマ中での製品の処理方法と装置
DE69227313T2 (de) 1991-04-29 1999-04-08 Scient Ind Enterprise Novatech Verfahren und vorrichtung zur behandlung von bauteilen in einem gasentladungsplasma
JP3252565B2 (ja) 1993-10-20 2002-02-04 トヨタ自動車株式会社 摺動部材およびその製造方法
US5401543A (en) 1993-11-09 1995-03-28 Minnesota Mining And Manufacturing Company Method for forming macroparticle-free DLC films by cathodic arc discharge
US6036828A (en) 1997-08-30 2000-03-14 United Technologies Corporation Apparatus for steering the arc in a cathodic arc coater
US5972185A (en) 1997-08-30 1999-10-26 United Technologies Corporation Cathodic arc vapor deposition apparatus (annular cathode)
US6009829A (en) 1997-08-30 2000-01-04 United Technologies Corporation Apparatus for driving the arc in a cathodic arc coater
US5932078A (en) * 1997-08-30 1999-08-03 United Technologies Corporation Cathodic arc vapor deposition apparatus
US6936145B2 (en) * 2002-02-28 2005-08-30 Ionedge Corporation Coating method and apparatus

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