KR20070012275A - Ｐｖｄ 반응기에서 플라즈마 활성을 개선하기 위한 장치 - Google Patents

Ｐｖｄ 반응기에서 플라즈마 활성을 개선하기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기재와 추가 전극 사이에 인가된 DC 또는 AC 전압에 의해 주 플라즈마가 만들어지는 코팅 대상 기재를 포함하는 마그네트론 스퍼터링 반응기에서 플라즈마 활성을 개선하기 위한 장치에 관한 것이다. 증가된 플라즈마 활성은 DC 또는 AC 전류 또는 이들이 조합된 전류로 가열된 고온의 필라멘트로부터의 전자의 열이온 방출에 의해 이루어진다. 상기 장치는 특히 초경합금, 고속도강, 서멧, 세라믹 또는 입방 질화 붕소로 만들어진 절삭공구 인서트에 마그네트론 스퍼터링에 의해 증착된 층의 부착력을 증가시키는데 유용하다.
PVD 반응기

Description

ＰＶＤ 반응기에서 플라즈마 활성을 개선하기 위한 장치 {DEVICE FOR IMPROVING PLASMA ACTIVITY IN PVD-REACTORS}
도 1 은 본 발명에 따른 마그네트론 증착 시스템의 개략적인 측면도, 도 2 는 본 발명에 따른 마그네트론 증착 시스템의 개략적인 평면도, 및 도 3 은 대표적인 본 발명에 따른 전기 연결을 도시한 도면.
* 도면부호의 설명 *
1 - 반응기 벽
2 - 마그네트론
3 - 코팅 대상 기재
4 - 필라멘트
5 - 케이지 (cage)
6 - 전자를 고온의 필라멘트로부터 외부로 가속하기 위한 전원
7 - 고온의 필라멘트에 연결된 전원
8 - 주요 플라즈마를 만들기 위한 전원
본 발명은 PVD (물리적 기상 증착) 반응기 (reactor) 에서 플라즈마 활성을 개선시키기 위한 장치에 관한 것이다. 증가된 플라즈마 밀도로 인해 본 발명은 마그네트론 (magnetron) 스퍼터링 (sputtering) PVD 코팅 챔버에서 그렇지 않은 경우 보다 훨씬 더 낮은 압력에서 스퍼터 에칭 (etching) 작업을 가능하게 한다. 그러므로, 기체 상 산란이 방지되고 3 차원 물체의 스퍼터 세정된 표면의 오염 및 재증착 문제가 제거된다. 본 발명은 충격 손상을 방지하기에 적당한 바이어스 (bias) 값으로 마그네트론 스퍼터링 시스템에서 기재를 스퍼터 에칭할 수 있게 한다.
현대에서는 높은 생산성으로 금속을 칩 (chip) 발생 기계가공 할 때는 높은 내마모성, 뛰어난 인성 및 소성 변형에 뛰어난 저항성을 지닌 신뢰성 있는 공구 인서트 (insert) 가 필요하게 된다.
이는 지금까지는 TiN, TixAlyN, CrxAlyN 및 Al2O3 과 같은 내마모성 층으로 코팅된 초경합금 인서트를 사용하여 달성됐다. 그러한 층들은 오랫동안 상용화되어 오고 있다. 다층 구조에서 수개의 경질 층들이 일반적으로 코팅을 형성한다. 각 층들의 순서 및 두께는 상이한 절삭 용도 및 작업 재료들에 적합하도록 신중히 결정된다.
상기 코팅은 대부분 화학적 기상 증착 (Chemical Vapour Deposition) (CVD), 적정온도 화학적 기상 증착 (Moderate Temperature CVD) (MTCVD) 또는 물리적 기상 증착 (Physical Vapour Deposition) (PVD) 기술로 형성된다.
CVD 층은 일반적으로 900°~ 1000°의 온도에서 증착되고 MTCVD 층은 반응물로서 질화아세톤 (CH3CN) 을 사용하여 700°~ 800°의 온도에서 증착된다. CVD 의 장점은 뛰어난 부착력, 상대적으로 두꺼운 층이 성장될 수 있다는 것 그리고 Al2O3 같은 절연층을 증착시킬 수 있다는 것이다.
PVD 는, 100 - 700° 의 온도에서 열증착, 스퍼터링, 이온 도금, 아크 증착 등에 의해 증착될 소망하는 화합물을 형성하기 위해 금속 증기가 적당한 분위기에서 제공되는 많은 방법을 말한다. PVD 로, CVD 에서 보다 더 많은 재료들이 증착될 수 있고, 그때의 층은 CVD 층에서의 인장응력과는 대조적으로 압축응력을 받게 된다. 반면 낮은 증착 온도는 층의 부착에서 문제점을 초래한다. 이러한 이유로 PVD 기술을 이용하는 기재의 코팅은 보통 몇몇 세정 단계들을 포함한다.
기재들은 일반적으로 PVD 반응기에 들어가기 전에 예컨데, 블라스팅 (blasting), 습식 에칭 및/또는 용제 세정을 이용하여 전처리 된다. 증착 직전에, 기재에서 전처리 단계에서 제거되지 않은 수분, 고유 산화물 및 다른 불순물을 추가로 세정하기 위해 스퍼터 에칭 단계가 자주 실시된다. 상기 에칭 단계는 일반적으로 반응기에서 0.2 - 1.0 Pa 의 압력에서 플라즈마를 제공함으로써 실행된다. 상기 기재에 음의 바이어스를 인가함으로써, 이 플라즈마로부터의 이온이 기재에 충돌하여 기재의 표면을 세정하게 된다. 바이어스는 기재를 스퍼터 에칭할 만큼 충분히 높아야 하지만 표면을 손상시킬 만큼 높아서는 안 된다. 전형적인 바이어스 값은 대략 -200 V 이며, 반면에 -500 V 이하의 값은 이온 충격에 의한 방사 손상을 초래하기 시작한다. 플라즈마는 일반적으로 PVD 반응기 내에서, 예컨대 Ar 같은 희 가스 분위기에서의 전기 방전으로 발생한다. 이 단계에서 낮은 플라즈마 활성은 불완전한 에칭, 이방성 에칭 및/또는 스퍼터된 재료의 재증착을 초래할 수 있다. 에칭 동안 Ar 압력이 높으면 높을수록 더 많은 재증착이 일어난다. 이는 기체 분자의 평균자유경로가 짧아질수록 기체 상 산란의 가능성이 증가하고 이로 인해 많은 양의 에칭된 재료가 표면 전체에 다시 재증착 되어 그 표면을 오염시키기 쉽기 때문이다. 재증착 및 이방성 에칭은 작업 대상물이 3 차원 구조일 때 특히 문제가 되는데, 이런 경우 작업 대상물의 일부분은 플라즈마로부터 가려질 수 있는데, 즉 주 플라즈마를 직접 받지 못한다.
스퍼터 에칭은 많은 상이한 방법들로 이루어 질 수 있다. 한가지 가능한 방법은 GB-A-2049560 에서 소개된 것처럼, 고온의 W 필라멘트 (filament) 를 이용하여 Ar 분위기에서 플라즈마를 점화하는 것이다. 다른 방법으로 예컨대, 공정을 향상시키기 위해 H2 및 탄화불소 같은 화학적 반응성이 더 큰 기체들을 사용할 수도 있다. 열이온 필라멘트는 플라즈마로부터 보호되어야 하는데 그렇지 않으면 열이온 필라멘트도 에칭될 수 있기 때문이다. 이는 필라멘트를 별도의 필라멘트 챔버에 넣음으로써 성취된다. 이러한 경우에 전자들은 에칭 챔버의 반대 부분에 위치한 양극에 의해 이 챔버 밖으로 가속되어야 한다. 챔버를 횡단하는 전자들은 Ar 가스를 이온화시키고 플라즈마는 균질하게 분포되고 기재를 스퍼터 에칭하는데 사용될 수 있다. 챔버의 전 높이에 걸친 전자 통로는 반응기의 상부 와 하부에 위치한 큰 자기 코일을 사용하여 방사상으로 갈라져야 한다. 상기 기술은 다소 복잡하고 플라즈마를 기재상에 고르게 분포시키기 위해 고도의 제어를 필요로 한다. 상기 방법의 한가지 장점은 대략 0.2 Pa 의 낮은 압력에서 에칭이 실행될 수 있어 재증착 문제점을 줄인다는 것이다.
정밀한 제어 없이 균질의 스퍼터 에칭 플라즈마를 만드는 훌륭한 대안은 WO 97 / 22988 에서 소개된 것처럼 기재와 상대 전극 사이에 교류전압을 인가하는 것이다. 상대 전극은 에칭 공정 뒤의 증착 공정에서도 사용되는 마그네트론 공급원일 수 있다. 전기적 연결은 본 발명의 도 3 에 개략적으로 나타나 있다. 종래 기술은 기재 (3), 전원 (8) 및 마그네트론 공급원 (2) 으로 구성된 회로로 이루어진다. 이 방법은 0.8 Pa 이상의 압력에서 꽤 잘 작동하지만 불행히도 이 높은 압력에서는 에칭된 재료의 재증착이 실제로 3 차원 기재에 자주 발생된다. 마그네트론 스퍼터링 기술에서는 이온화도가 낮기 때문에 에칭 플라즈마를 발생시키는 작동에 높은 압력이 요구된다. 또한, 귀한 스퍼터 재료가 불행히도 스퍼터 세정용으로 사용된다.
US 5,294,322 에서 셔터 (shutter) 에 의해 차폐된 아크 방전이 어떻게 저 전압 전자 공급원으로서 사용될 수 있는지를 개시한다. 전자들은 다시 양극에 모인다. 전자들이 코팅 챔버를 횡단할 때 희 가스의 이온들이 전자-원자 충돌에 의해 발생하고 이러한 이온들을 기재 쪽으로 가속시키기 위해 별도의 전원이 사용된다. 상기 특허의 경우, 가용 챔버 벽 공간을 차지하는 별도의 아크 공급원이 전자 발생을 위해 사용되어야 하거나 또는 차폐된 증착원이 사용될 수도 있고 이러한 경우에는 귀한 코팅 재료가 스퍼터 에칭 세정 단계에서 손실된다는 문제가 있다.
그러므로 본 발명의 목적은 기술을 간단하게 유지하면서 기재의 스퍼터 에칭 동안 플라즈마 세기를 증가시키기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
따라서 본 발명은 코팅 대상 기재를 포함하는 PVD 반응기에서 플라즈마 활성을 개선하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 기재와 추가 전극 사이에 교류 또는 직류 전압을 인가함으로써 주 플라즈마가 점화된다. 이 전극은 WO 97 / 22988 에서 기재된 것처럼 하나 이상의 별도의 전용 전극, 반응기 벽, 하나 이상의 PVD 증착 원, 마그네트론 및/또는 아크 공급원 또는 바람직하게는 하나 이상의 마그네트론 쌍 또는 이중 마그네트론 스퍼터링 (DMS) 쌍일 수 있다. DMS 기술은 펄스화된 이극 전원에 연결된 두 개의 마그네트론 스퍼터링 공급원으로 구성된다. 전자의 열이온 방출에 의해 플라즈마 활성을 증가시키기 위해서, 고온의 필라멘트가 바람직하게는 대칭축을 따라서 반응기의 상부에서 바닥까지 이르면서 반응기의 중심부에 설치된다. 여기서 필라멘트는 나사, 메쉬 (mesh), 또는 밴드 (band) 등과 같은 적절한 구성으로 되어 있다. 필라멘트는 나선형으로 감기거나 또는 그렇지 않을 경우 열 팽창/수축이 가능하게 구성되는 것이 바람직하다. 필라멘트는 W, 토륨함유 W 또는 코팅된 필라멘트 같은 효과적인 전자 방출 재료로 구성되는 것이 바람직하며, 여기서 코팅은 회토류 산화물, 탄소 나노튜브 (nanotube), 산화 바륨 등과 같은 효과적인 전자 방출재이다. 필라멘트는 하나의 긴 필라멘트 형태 이거나 또는 수개의 짧은 필라멘트들이 직렬 또는 병렬로 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결된 형태일 수 있다. DC 또는 AC 전류 또는 이들이 혼합된 전류 중 하나가 필라멘트를 가열하는데 사용될 수 있다. 필라멘트는 바람직하게는 반응기의 중심부에 위치하고 전자들은 반응기의 z-축 (높이 축) 방향으로 고르게 분포된다. 양호한 방사상 분포뿐 아니라 필라멘트로부터 전자의 효과적인 방출을 보장하기 위해서, DC 또는 이극 전압이 음극인 필라멘트 및 대응하는 양극 사이에 인가될 수 있다. 이 양극은 반응기 벽, 하나 이상의 별도의 전극 또는 주 플라즈마를 발생시키는데 사용되는 하나 이상의 전극이 될 수 있다. 전자가 음극 필라멘트와 양극 사이의 분리 공간을 횡단하면서 플라즈마를 발생시키고, 이 과정에서 Ar 의 이온화가 일어난다. 이 향상된 플라즈마 밀도는 그렇지 않은 경우의 마그네트론 증착 시스템에서보다 훨씬 낮은 압력인 0.1 - 0.2 Pa 의 범위에서 스퍼터 에칭을 가능하게 한다. 증가된 이온화는 약 -200 V 의 기재 바이어스 값에서 스퍼터 에칭 작업을 가능하게 하고, 이로써 이온 충격 손상은 마그네트론 스퍼터링 시스템에 대한 종래 기술에서보다 더 작게 된다.
필라멘트는 플라즈마에 노출되고 이로 인해 시간이 지나면서 부식된다. 이 때문에, 필라멘트는 정기적으로 교체되어야 하거나 또는 필라멘트를 둘러싸고 있으면서 방출된 전자가 플라즈마 속으로 가속되어 나아갈 수 있는 작은 슬릿 (slits) 이 있는 예컨대, 금속 실린더, 메쉬 (mesh) 또는 금속 봉 (rod) 으로 구성된 케이지 (cage) 에 의해 보호되어야 한다. 케이지의 전위는 고온 필라멘트의 전위에서 적절한 양극의 전위까지의 범위에 있다.
본 발명에 따른 장치는 특히 마그네트론 스퍼터링 시스템에 유용하다.
본 발명은 또한 금속선, 봉 및 밴드 (band), 특히 초경합금, 고속도강, 서멧 (cermet), 세라믹 또는 입방 질화 붕소로 만들어진 절삭공구 인서트의 코팅뿐 아니라, 초경합금, 고속도강, 서멧, 세라믹, 또는 입방 질화 붕소 또는 강 같은 금속으로 만들어진 절삭공구 인서트에 층들을 증착하기 전에 스퍼터 에칭에 이용되는 플라즈마의 활성을 향상시키기 위한 상기 장치를 사용하는 것에 관한 것이다.
예 1 (종래 기술)
초경합금 절삭 인서트의 스퍼터 에칭은 WO 97 / 22988 에서 개시된 시스템에 따라 실행되었다. 플라즈마는 0.8 Pa 의 적정 압력 및 에칭을 하기 위한 최소 전압인 800 V 의 기재 - 타겟 전압에서 점화되었다. 2 A 의 전류가 기재를 통해 흘렀다. 이 기재 전류는 상대 전극인 마그네트론을 이용하여 얻어지는 이온 밀도에 의해 제한되었다. 또한, 전류는 대전된 이온에 의한 충격에 관련되어 있고 그러므로 에칭의 수단이었다. 기재는 이 스퍼터 에칭 공정 후에 가려진 표면에서 재증착의 흔적을 보였다. 방전을 하는데 필요한 전압은 기재에 충격 손상의 위험을 일으킬 만큼 충분히 높았다.
예 2 (본 발명)
상기와 같은 시스템을 이용하고 도 2 에 나타낸 것처럼, 중심부에 위치한 고온의 W 필라멘트를 추가하여 예 1 을 반복하였다. 11 A 로 필라멘트를 가열하고 필라멘트 (음극) 와 반응기 벽 (양극) 사이에 360 V 의 전압을 인가함으로써, 0.2 Pa 에서 에칭이 이루어졌다. 기재 - Ti 상대 전극 (마그네트론 공급원) 의 전압이 200 V 일 때 7 A 의 기재 전류가 측정되었다. 이 전압은 필요한 최소 에칭 전압은 아니지만 적당한 것으로 선택되었다. 기재는 분명히 더 많이 깊게 에칭되었고 많이 가려진 부분에서 조차 재증착의 흔적을 보이지 않았다.
이와 같이, 본 발명에 따라 에칭을 했을 때, 더 작은 충격 손상을 수반하는 더 낮은 기재 전압 및 그로 인해 재증착을 제거하는 더 낮은 압력에서 더욱 효과적인 에칭이 이루어졌다.
예 3
예 1 및 2 의 인서트들이 에칭 직후 표준 증착 공정을 이용하여 1.6 ㎛ 두께의 Al2O3 층으로 코팅되었다: DMS 는 Al 타겟을 구비하는 두 쌍의 마그네트론을 이용한다. 각각 40 kW 에서 일어나는 스퍼터링 가스 방출을 위해 백그라운드 압력으로서 0.23 Pa 의 Ar 압력이 유지되었다. 산소 반응 가스가 2 × 30 sccm 으로 공급되었고 광학 방출 피드백 (feedback) 회로에 의해 제어되었다. 이 결과 결정질 알루미나층이 만들어졌다. 코팅의 부착력을 결정하기 위한 목적으로 두 세트 (set) 의 인서트가 스테인레스강에 대한 선삭 시험으로 평가되었다. 그 결과, 종래 기술에 따라 에칭된 인서트는 과도한 플레이킹 (flaking) 을 보인 반면, 본 발명에 따라 에칭된 인서트는 플레이킹이 보다 적었고 또한 마모의 징후도 적었다.
향상된 플라즈마 밀도는 그렇지 않은 경우의 마그네트론 증착 시스템에서보다 훨씬 낮은 압력인 0.1 - 0.2 Pa 의 범위에서 스퍼터 에칭을 가능하게 한다. 증가된 이온화는 약 -200 V 의 기재 바이어스 값에서 스퍼터 에칭 작업을 가능하게 하고, 이로써 이온 충격 손상은 마그네트론 스퍼터 시스템에 대한 종래 기술에서보다 더 작게 된다.

Claims (9)

  1. 주 플라즈마가 기재와 하나 이상의 추가 전극 사이에 인가된 DC 또는 AC 전압에 의해 만들어지는 코팅 대상 기재를 포함하는 코팅 반응기, 바람직하게는 PVD (물리적 기상 증착) 에서 플라즈마 활성을 개선하기 위한 장치에 있어서,
    DC 또는 AC 전류 또는 이들이 조합된 전류로 가열되며, 바람직하게는 하나의 긴 필라멘트 (filament) 또는 수개의 짧은 필라멘트가 직렬 또는 병렬로 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결된 형태의 열이온 방출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 활성을 개선하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 고온의 필라멘트는 시스템의 음극이며, 대응하는 양극은 하나 이상의 전용 전극인 것을 특징으로 하는 플라즈마 활성을 개선하기 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 고온의 필라멘트는 시스템의 음극이며, 대응하는 양극은 반응기 벽인 것을 특징으로 하는 플라즈마 활성을 개선하기 위한 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 대응하는 양극은 주 플라즈마를 만들기 위해 사용되는 하나 이상의 추가 전극인 것을 특징으로 하는 플라즈마 활성을 개선하기 위한 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 고온의 필라멘트는 반응기의 상부에서 바닥까지 이르는 것을 특징으로 하는 플라즈마 활성을 개선하기 위한 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 필라멘트는 W, 토륨함유 W 또는 회토류 산화물 또는 탄소 나노튜브 (nanotube) 같은 효과적인 전자 방출재의 코팅으로 피복된 필라멘트인 것을 특징으로 하는 플라즈마 활성을 개선하기 위한 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 고온의 필라멘트는, 방출된 전자가 빠져나갈 수 있는 작은 구멍이 있고 고온 필라멘트의 전위에서 대응 양극의 전위까지의 범위에 있는 전위를 가진 챔버 또는 케이지 (cage) 에 의해 보호되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 활성을 개선하기 위한 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, PVD 코팅 시스템은 마그네트론 스퍼터링 (sputtering) 시스템인 것을 특징으로 하는 플라즈마 활성을 개선하기 위한 장치.
  9. 금속선, 봉 및 띠 (band), 바람직하게는 초경합금, 고속도강, 서멧 (cermet), 세라믹 또는 입방 질화 붕소로 만들어진 절삭공구 인서트의 코팅뿐 아니라, 초경합금, 고속도강, 서멧, 세라믹, 또는 입방 질화 붕소 또는 강 같은 금속으로 만들어진 절삭공구 인서트에 층들을 증착하기 전에 향상된 스퍼터 에칭을 달성하기 위해 PVD 반응기에서 사용되는 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 용도.
KR1020060068728A 2005-07-22 2006-07-21 Ｐｖｄ 반응기에서 플라즈마 활성을 개선하기 위한 장치 KR20070012275A (ko)

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