KR20070106462A - 플라즈마 지원에 의해 피착된 얇은 시드층에 의한 금속화 - Google Patents

플라즈마 지원에 의해 피착된 얇은 시드층에 의한 금속화 Download PDF

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KR20070106462A
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게르트 호프만
귄테르 클렘
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은, 특히 포일 커패시터용 금속화된 플라스틱 웹인, 금속화된 웹(3)을 제조하는 공정 및 장치에 관한 것으로, 금속층의 피착 전에 금속 시드층의 플라즈마 지원형 증기 혹은 기체 상 피착이 발생하고, 그 두께는 최대 수 개의 원자층 범위이다. 또한, 본 발명은 이에 따라 제조되는 플라스틱 포일에 관한 것으로, 금속층과 플라스틱 포일 간의 시드층의 두께가 최대 수 개의 원자층이다.
포일 커패시터, 플라스틱 웹, 플라즈마, 금속층, 금속 시드층

Description

플라즈마 지원에 의해 피착된 얇은 시드층에 의한 금속화{METALIZATION THROUGH A THIN SEED LAYER DEPOSITED UNDER PLASMA SUPPORT}
도 1은 플라스틱 포일을 금속화하는, 특히 커패시터 포일을 제조하는 피착 머신의 개략적인 예를 단지 개략적인 방식으로 도시한 것이다.
이 도면은 단지 개략적인 예를 도시하며, 요소들의 배치는 단지 기본 이론을 강조하기 위해서 선택되어, 실제 상태와 상당히 다를 수 있다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
1, 2 롤
3 포일
4 챔버 벽
5 슬롯
6 전원
7 캐소드
8 애노드
16 시드 또는 핵층
DE 199 43 379 A1
KR 01 415 09
본 발명은 금속화된 웹, 특히, 금속층이 금속화된 플라스틱 포일 각각을 통해 증기 혹은 기체 상으로 피착되어 있는 포일 커패시터용의 금속화된 플라스틱 웹을 생산하는 공정 및 장치, 또는 각각의 금속화된 플라스틱 포일에 관한 것이다.
금속화된 플라스틱 포일은 예를 들어 커패시터 포일 등과 같은 기술적 응용 분야에서 이용된다. 이러한 커패시터 포일은 예를 들어 폴리에스테르나 폴리프로필렌의 비도전성 플라스틱 포일로 이루어지며, 이 위에 전극들을 형성하기 위한 아연 금속층들이 피착된다. 이것은 전형적으로 예를 들어 웹 피착 머신에서 행해지고, 이 머신 내에서는 피착되는 플라스틱 물질이 롤로부터 풀려, 피착 스테이션을 통해 이동하게 되어 다시 이차 롤 상에 감긴다.
피착 스테이션은 일반적으로 열 증착 유닛에 의해 형성되며, 이 유닛 내에서는 플라스틱 포일 상에 피착될 물질이 각각의 열 인가를 통해 기화되어, 플라스틱 포일이 금속 증기 연기를 통과하여 이동할 때 물질이 피착된다.
전형적으로, 아연이 전극 물질로서 이용된다.
평평하고도 양호하게 접착되는 금속 즉 아연층을 얻기 위해, 실제 금속층이 피착되기 전에, 바람직하게 알루미늄으로 형성된 시드 또는 핵층이 기지의 방식으로 플라스틱 포일 상에 피착된다. 또한, 시드 또는 핵층은 증착을 통해 피착될 수 있다. 전형적으로, 전체 층에서 시드 또는 핵층의 비율, 즉 층 두께는 5 내지 10%이다.
이것은, 그러나, 특히 포일 커패시터에서의 아연층의 자기 치유 특성(self healing property)에 대하여 단점이 존재하며, 그 이유는 이 자기 치유 특성이 두꺼운 시드 또는 핵층의 영향을 부정적으로 받기 때문이다. 자기 치유 특성은 아연층의 저 증착 에너지에 기초하며, 이에 따라 알루미늄처럼 고 응축 에너지를 갖는 금속으로 형성된 시드 또는 핵층을 이용하는 경우, 금속의 피착 또는 용융이 열화되어, 단락이 발생함을 의미하는 보이드가 발생한다. 이에 따라, 자기 치유 특성만을 위해서는 시드 또는 핵층을 제공하지 않는 것이 유리할 것이다.
이것은 예를 들어 금속 증착 전 플라즈마로 전처리된 플라스틱 포일에 의해 달성될 수 있으며, 그 이유는 금속층의 부착성을 보장할 수도 있기 때문이다.
시드층 없이 부착성을 달성하는 다른 가능성은, 금속 증착동안 고밀도 플라즈마가 점화되는 방식으로 DE 199 43 379 A1에 제안되어 있다. 이에 따라, 더욱 양호한 부착성 및 개선된 자기 치유 및 줄어든 표면 저항을 얻게 된다.
KR 01 415 09는 막 커패시터를 위한 아연 금속층을 제조하는 공정을 기술하고 있으며, 여기서는 항 산화 특성을 더 개선하기 위해 알루미늄으로 형성된 전형적인 시드 또는 핵층이 스퍼터링 공정을 통해 플라스틱 포일 상에 피착된다.
본 발명의 목적은 공정 및 이 공정에 의해 생산된 금속화된 플라스틱 포일을 제공하는 것으로서, 양호한 자기 치유 특성 및 표면 저항을 갖고 효율적이고도 특히 빠른 제조로 금속층들이 매우 양호하게 부착될 수 있게 하며, 이 금속층들은 평평하고도 평탄하다.
이 목적은 청구항 제1항의 특성들을 갖는 공정 및 및 청구항 제16항의 특성들을 갖는 플라스틱 포일에 의해 달성된다. 이점을 갖는 실시예들이 종속항들의 청구 대상이다.
상술한 종래 기술로 양호한 결과들이 이미 달성되어 있지만, 본 발명자들은, 실제 금속막을 증착하기 전에 플라즈마 전처리와 얇은, 특히 매우 얇은 시드 또는 핵층의 피착과의 조합을 수행하는 경우, 부분적으로 경합하는 이점들 및 특성들을 양호하게 균형잡힌 이점 및 특성 프로파일로 더 최적화할 수 있다는 것을 발견하였다.
nm 범위에서의 몇 개의 원자층의 두께를 갖는 극히 얇은 시드층을 제외하고 두께에 대하여 각각의 치수를 갖는 어떠한 전형적인 시드층도 피착하지 않는 것이 특히 중요하다.
이에 대응하여, 시드층은 전체 층의 5% 미만, 특히, 3% 미만, 바람직하게는 1% 이하의 비율을 갖는다.
바람직하게, 시드층은 캐소드 증착(스퍼터링)을 통해 피착되며, 그 이유는 이 공정이 플라즈마 처리와 매우 얇은 층들의 피착과의 조합에 대하여 매우 적합하기 때문이다.
이렇게 매우 얇은 층들을 피착하기 위해, 저 피착율(deposition rate)로 시 드층을 피착하는 것이 이점을 갖고, 그 이유는 위에 피착되는 웹의 각각의 전달 속도와 조합하는 경우, 시드층들이 적합한 방식으로 겨우 수 개의 고립 위치로 이루어진 비 연속 층들로 매우 얇게 될 수 있기 때문이다.
이에 따라, 스퍼터링 공정에서 수 100V 범위, 특히, 1000V 미만, 바람직하게 500V 미만, 가장 바람직하게 약 400V 범위의 캐소드 전압을 선택하는 것이 이점을 갖는다.
이에 따라, 15kW 미만 또는 10kW 이하 범위의 플라즈마 전력도 선택될 수 있다.
시드층의 피착 동안의 압력은 바람직하게 10-1hPa 미만이고, 특히, 5x10-2hPa 미만, 바람직하게 10-2hPa 범위를 갖는다. 이에 따라, 각각의 저 피착 또는 스퍼터링 율도 얻을 수 있다.
시드층의 피착 동안의 분위기는 바람직하게 비활성 가스에 의해 형성되고, 특히 아르곤 분위기에 의해 형성되며, 분위기에 산소의 소정 비율을 부가하는 것이 이점을 가질 수 있으며, 이에 따라 플라즈마에 존재하여 기판 표면 상의 불순물들과 반응하는 산소 이온들로 인한 플라즈마 처리를 통해 표면의 클리닝 효과가 가능해진다. 이후, 각각의 반응물들은 각각의 압력 상태들을 생성하도록 진공 펌프를 통해 반응 챔버로부터 제거될 수 있다.
상술한 공정을 통한 본 발명에 따르면, 저 스퍼터링 율을 갖는 물질, 즉, 스틸 또는 스테인리스 스틸이 사용된다. 이러한 방식으로, 스퍼터링 타겟에 대하여 긴 서비스 수명이 보장되고, 적은 물질 사용을 통해 금속층의 부착성 및 평평한 형성, 또는 특히 플라스틱 표면 상에 아연층이 보장될 수 있다.
본 발명에 따른 공정에서, 도포되는 웹 물질은 시드층의 기체 상 피착동안 초당 최대 20미터, 바람직하게는 초당 최대 25미터의 속도로 플라즈마 소스 또는 스퍼터링 타켓을 통과할 수 있으며, 그 이유는 매우 얇은 시드층들만이 피착되어야 하기 때문이다. 이것은 공정 효율을 증가시킨다.
실제 금속층, 특히 아연층의 후속 피착은 기지의 적절한 공정을 통해 수행될 수 있으며, 특히, 아연 용융체로부터 아연의 열 증착을 통해 수행될 수 있다.
추가 양태에 따라 독립적인 특허 보호를 위하도록 본 발명에 따른 공정으로 생산된 금속화된 플라스틱 포일은, 플라스틱 포일과 금속층 간에 수 개의 원자층의 범위인 매우 얇은 두께의 시드층이 제공되며, 이 시드층은 스틸이나 스테인리스 스틸로 형성되는 것을 특징으로 한다.
플라스틱 포일은 특히 폴리에스테르 또는 폴리프로필렌으로 만들어질 수 있다.
이하, 본 발명의 추가적인 이점, 속성 및 특징은 첨부 도면에 기초한 실시예의 상세한 설명에서 명백해진다.
피착 머신은 2개의 롤(1, 2)을 갖는다. 피착될 플라스틱 재료는 포일(3)로서 제공되고, 롤(1) 옆에 도시한 화살표에 따라 제1 롤(1)에서 풀려서, 포일(3)이 이에 대응하여 다시 감기는 롤(2)을 향해 이동한다.
2개의 롤(1, 2) 사이에, 2개의 피착 또는 처리 스테이션이 위치하는데, 이러 한 스테이션들은 챔버 벽(4)을 통해 서로 분리되는 것이 바람직하며, 슬롯(5) 또는 게이트 어셈블리가 챔버 벽(4)에 제공되어, 포일 웹(3)이 이러한 챔버 벽(4)을 통해 통과될 수 있다.
제1 피착 또는 처리 스테이션은 캐소드(7), 애노드(8), 및 DC 전원 또는 전압 공급기(6)를 갖는데, 이러한 전압 공급기(6)의 음극은 캐소드에 접속되고, 그 양극은 애노드(8)에 접속된다. 10-2hPa 의 설정 압력을 갖고 전자장 지원을 받는 교정 아르곤 분위기에서, 애노드(8)와 캐소드(7) 사이에서 수백 V의 범위, 특히 400 V에서 DC 전압에 접속시킴으로써, 플라즈마(9)가 점화된다.
당업자라면, 각각의 하우징 또는 진공 챔버(미도시)가 도면에 도시한 어셈블리 주위에 제공되는 것을 이해할 것이다.
따라서, 롤(1), 애노드(8), 및 캐소드(7)를 갖는 감기(winder) 어셈블리는 제1 진공 챔버 내에 위치하며, 제1 진공 챔버 내에서 10-2hPa 범위의 압력이 캐소드(7) 및 애노드(8)로 이루어지는 전극 어셈블리를 갖는 제1 피착 스테이션의 영역에 설정된다. 프로세스 가스로서 아르곤이 제1 진공 챔버로 유도되어, 플라즈마(9)가 점화될 때, 양전하를 띈 아르곤 이온(11)이 생성되는데, 이러한 아르곤 이온(11)은 캐소드(7) 방향으로 가속화된다.
캐소드(7)는 스퍼터링 재료를 갖거나 이러한 재료, 특히 스테인리스 스틸로 제조된다. 포일(3)에 피착되기 위하여 스퍼터링 재료(10)가 포일(3) 상에 입혀질 수 있도록, 스퍼터링 재료(스퍼터링 타겟)는 충돌 아르곤 이온을 통해 스퍼터링된 다.
동시에, 음전하를 띈 전자(12)는 애노드(8) 방향으로 이동하여, 부분적으로 포일(3) 상에 또한 입혀진다. 따라서, 비도전성 플라스틱 웹으로 만들어진 포일(3)이 어느 정도 대전되어, 플라즈마(9)로부터의 이온 역시 포일 표면(3) 상에 충돌하여 이온 충격을 통해 플라스틱 포일 표면의 클리닝 및 활성화에 기여한다. 이러한 분위기에 산소가 일정 퍼센트로 추가됨으로써, 클리닝 효과가 더욱 증가될 수 있다.
이러한 방식으로, 핵층으로 표기할 수도 있는 시드층(16)이 제1 피착 스테이션에서 포일(3) 상에 피착되는데, 이러한 포일은 스퍼터링 타겟 또는 캐소드(7)의 재료로 만들어지며, 바람직하게는 스테인리스 스틸이다.
그러나, 스테인리스 스틸은 매우 낮은 스퍼터링 속도를 갖는 재료이고, 플라스틱 포일 웹(3)이 감기 어셈블리(1, 2) 및 플라즈마(9)를 통과하거나 스퍼터링 타겟을 통과하는 속도가 고속이므로, 수 nm 까지의 수 원자층의 범위 내에서 매우 얇은 시드층(16)만이 피착된다. 이것은, 전원(6) 전압이 수백 V로 비교적 낮게 선택된다는 사실에 의해 더욱 강조된다.
플라즈마의 동시 충돌 하에서 코팅된 포일에서 거의 검출될 수 없는 시드층의 피착은, 매우 얇더라도, 제2 피착 스테이션 또는 반응 챔버 내에서 후속하는 금속화가 양호한 부착성으로 피착될 수 있는 효과를 갖는다. 특히, 그 위에 피착될 기판 상으로의 재료 피착이 간단한 방식으로 수행되는 동시 플라즈마 충돌로 캐소드 스퍼터링을 행함으로써, 플라즈마 전처리와 후속하는 시드층 또는 핵층 피착, 그리고 시드층 또는 핵층 자체를 분리하기 위한 수고가 매우 경감될 수 있다.
코팅될 플라스틱 포일 웹(3) 상에 매우 얇은 시드층 또는 핵층(16)을 스퍼터링하는 제1 피착 스테이션을 통과한 후에, 플라스틱 포일은 제2 피착 스테이션을 통과하는데, 여기에서 피착될, 아연으로 만들어지는 것이 바람직한 재료층은 열 증착(thermal evaporation)을 통해 피착된다. 이를 위해서 증착 도가니(13)가 제공되는데, 이러한 증착 도가니(13)는 아연 재료를 증착시키기 위해 예를 들어 전기 가열 저항을 통해 적절한 방식으로 가열된다. 따라서, 아연 증기(15)가 생성되는데, 이를 통해 플라스틱 포일 웹(3)이 통과되고, 시드층 또는 핵층(16) 위에서 플라스틱 포일(3) 상에 원하는 금속층(17)이 형성되게 한다.
얇은 시드층 또는 핵층의 플라즈마 처리 및 피착으로 인하여, 시드층 또는 핵층이 매우 얇은 두께를 갖는다 할지라도, 플라스틱 포일 상의 아연 재료의 부착성이 매우 양호하다. 그러나, 이것은 종래 기술에 따른 것보다 시드층 또는 핵층(16)을 통해 아연의 자기 치유 특성이 열화되지 않거나 적어도 덜 열화된다는 이점을 갖는다. 이와 동시에, 재료층, 예를 들어 아연층의 최적의 피착이 간단한 수단에 의해 높은 피착 속도에서 매우 평탄한 피착으로 획득될 수 있는데, 이러한 피착 속도는 예를 들어 초당 6미터인 초당 수 미터, 및 초당 20 또는 25 미터까지의 범위에서의 플라스틱 포일 웹(3)의 전달 속도이다.
바람직한 실시예에 기초하여 본 발명을 설명하였지만, 본 기술 분야의 당업자라면, 본 발명의 범위를 규정하는 첨부된 특허 청구 범위의 구조 내에서, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 수정 또는 변경이 가능하리라는 것을 이해할 것이다. 특히, 일정한 특징들이 생략될 수 있거나, 이 중 다른 방식으로 서로 결합될 수 있다.
본 발명에 따르면, 플라즈마의 동시 충돌 하에서 코팅된 포일에서 거의 검출될 수 없는 시드층의 피착은, 매우 얇더라도, 제2 피착 스테이션 또는 반응 챔버 내에서 후속하는 금속화가 양호한 부착성으로 피착될 수 있는 효과를 갖는다. 특히, 그 위에 피착될 기판 상으로의 재료 피착이 간단한 방식으로 수행되는 동시 플라즈마 충돌로 캐소드 스퍼터링을 행함으로써, 플라즈마 전처리와 후속하는 시드층 또는 핵층 피착, 그리고 시드층 또는 핵층 자체를 분리하기 위한 수고가 매우 경감될 수 있다.

Claims (16)

  1. 특히 포일 커패시터(foil capacitor)용으로 금속화된 플라스틱 웹(metalized plastic web)인 금속화된 웹을 제조하는 공정으로서,
    증기 또는 기체 상으로 웹(3)에 금속층(17)을 피착하되, 상기 금속층의 피착 전에, 플라즈마 지원형(plasma supported) 증기 또는 기체 상 피착으로 상기 웹(3) 상에 금속 시드층(16)을 피착하고,
    상기 금속층은 스틸 또는 스테인리스 스틸을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속화된 웹의 제조 공정.
  2. 제1항 또는 제1항의 전제부에 있어서,
    상기 시드층(16)은 전체 층의 퍼센티지에서 5% 미만인, 구체적으로는 3% 미만인, 바람직하게는 1% 이하인 퍼센티지를 차지하는 것을 특징으로 하는 금속화된 웹의 제조 공정.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 시드층의 상기 플라즈마 지원형 증기 또는 기체 상 피착은 캐소드 스퍼터링을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 금속화된 웹의 제조 공정.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시드층은 저 피착율(deposition rate)로 피착되는 것을 특징으로 하는 금속화된 웹의 제조 공정.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마는 상기 시드층의 피착 동안 낮은 캐소드 전압으로, 구체적으로는 1000V 미만인, 바람직하게는 500V 미만인, 가장 바람직하게는 약 400V인 캐소드 전압으로 조작되는 것을 특징으로 하는 금속화된 웹의 제조 공정.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마는 15kW 이하의 전원에 의해, 구체적으로는 10kW 이하의 전원에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 금속화된 웹의 제조 공정.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시드층의 피착 동안 압력은 10-1hPa 미만인, 구체적으로는 5 x 10-2hPa 미만인, 바람직하게는 10-2hPa의 범위 내인 것을 특징으로 하는 금속화된 웹의 제조 공정.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시드층의 피착은 대부분 Ar 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하 는 금속화된 웹의 제조 공정.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시드층의 피착은 산소를 첨가한 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 금속화된 웹의 제조 공정.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속층은 아연을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속화된 웹의 제조 공정.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시드층과 상기 금속층은 조성이 상호 다른 것을 특징으로 하는 금속화된 웹의 제조 공정.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    도포될 밴드 재료가 상기 시드층의 상기 플라즈마 지원형 증기 또는 기체 상 피착의 플라즈마 소스 또는 스퍼터링 타겟을 지나 최대 20m/s의 속도로, 바람직하게는 최대 25m/s의 속도로 흐르는 것을 특징으로 하는 금속화된 웹의 제조 공정.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속층의 피착은 열 증착(thermal evaporation)을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 금속화된 웹의 제조 공정.
  14. 바람직하게는 제1항 내지 제13항에 기재된 공정에 따라 제조되는 것으로서, 특히, 포일 커패시터인 금속화된 플라스틱 포일로서,
    적어도 하나의 플라스틱 포일을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 플라스틱 포일 상에는 적어도 하나의 금속층과 시드층이 배치되고,
    상기 시드층은 상기 금속층과 상기 플라스틱 포일 사이에 제공되며,
    상기 시드층은 스틸 또는 스테인리스 스틸을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 포일.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 플라스틱 포일은 폴리에스테르 또는 폴리프로필렌으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라스틱 포일.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 금속층은 아연을 포함하는 것을 특징으로 하는 포일.
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