KR20100074977A - 표면이 평활한 다이아몬드상 탄소 박막 제조방법 - Google Patents

표면이 평활한 다이아몬드상 탄소 박막 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다이아몬드상 탄소 박막의 제조방법에 관한 것으로 탄소를 함유한 가스를 분해하는 이온빔 방식에 의해 계면층 및 계면층상의 다이아몬드상 탄소 박막으로 이루어진 코팅층을 형성하는 다이아몬드상 탄소 박막 제조방법에 있어서, 다이아몬드상 탄소 박막 형성시의 양극 전류 및 기판 바이어스 전압을 조절하는 것에 의해 계면층 평균 표면조도에 대한 코팅층의 평균 표면조도의 비를 0.2 미만으로 유지하는 것을 특징으로 하는 표면이 평활한 다이아몬드상 탄소 박막의 제조방법이 제공된다.
다이아몬드상 탄소 박막(Diamond-Like CarbonFilm ; DLC), 표면조도, 양극 전류, 기판 바이어스 전압

Description

표면이 평활한 다이아몬드상 탄소 박막 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING DIAMOND-LIKE CARBON FILM WITH SMOOTH SURFACE}
본 발명은 탄소를 함유한 가스를 분해하여 이루어지는 다이아몬드상 탄소 박막(Diamond-Like Carbon Film ; DLC)을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 피막으로 이루어지는 계면층을 형성하여 밀착력을 향상시키고, 이온빔의 양극조건과 바이어스 전압을 조절하여 계면층상에 탄소 박막을 형성함으로서 계면층으로 인해 변화된 표면 조도를 계면층이 없는 상태와 유사하게 평활화되도록 개선된 다이아몬드상 탄소 박막 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 진공중에서 탄소를 함유한 가스 또는 흑연 타겟을 이용하면서 플라즈마를 이용한 활성화를 통해 제조되는 탄소 박막은 수소의 함량이나 이온 에너지 등에 따라 흑연 특성은 물론 폴리머 특성, 그리고 다이아몬드 특성까지 다양한 형태로 구현되며 제조된 박막의 기계적, 물리적 특성 또한 매우 광범위한 형태로 나타난다. 그중에서도 특히 비정질 탄소 박막은 이러한 다양한 탄소계 박막 중에서 물리적, 화학적으로 안정하고 기계적 특성이 우수한 박막을 통칭하여 일컫는 것으로, 현재까지 가장 많은 연구가 이루어지고 있는 분야이다. 이와 같은 비정질 탄소 박막 산업중에서도 다이아몬드상 탄소(Diamond Like Carbon; DLC)를 이용한 기술로 제조된 다이아몬드상 탄소 박막은 높은 경도, 고윤활 특성, 우수한 생체 적합성, 낮은 표면거칠기 등의 많은 장점을 가지고 있어 널리 이용되고 있다.
지금까지 다이아몬드 상 탄소 막을 제조하는 방법으로는 ECR-CVD 방식(대한민국 공개특허 2001-0026548호)과 진공여과아크 방식(대한민국 공개특허 2003-0035444호), PECVD(대한민국 공개특허 2004-0088650호), 이온빔 증착법(대한민국 공개특허 2005-0005251호) 등이 소개된 바 있다.
그러나 다이아몬드상 탄소 박막은 높은 경도로 인해 잔류응력이 높고 기판과의 낮은 친화력으로 인해 부착 특성이 열악하여 신뢰성이 높은 피막제조가 어려워 산업에 적용하는데 많은 제약이 따른다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 대한민국 공개특허 2003-0035444호에서는 아크소스와 스퍼터링 소스를 동시에 이용하여 다이아몬드상 탄소 박막 내에 실리콘을 첨가하여 제반 물성을 유지하면서 잔류 응력을 감소시키는 방법을 제공하고 있다. 밀착력을 향상시키는 가장 일반적인 방법은 기판과 다이아몬드상 탄소 박막 사이에 금속 등을 얇게 증착시키는 것이다. 이 방법은 다이아몬드상 탄소 박막을 제조하기 전에 기판과 밀착력이 좋은 크롬, 티타늄, 니켈 또는 실리콘 등의 원소나 탄화규소와 같은 화합물을 먼저 증착하여 기판과의 결합력을 향상시키는 방법으로 지금까지 이러한 방법을 이용하여 다이아몬드상 탄소 박막을 실용화한 사례가 많이 있다.
그러나 이러한 계면층을 코팅할 경우 계면층의 두께가 증가함에 따라 계면층의 조직이 성장하여 표면이 거칠어지는 단점이 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해소하기 위하여 창출된 것으로, 기판에 계면층을 형성하여 밀착력을 향상시키고 계면층상에 이온빔의 양극전류와 기판 바이어스 전압을 조절하여 계면층의 표면조도를 제어하여 계면층이 존재하지 않는 경우와 유사한 표면조도를 얻을 수 있도록 개선된 표면이 평활한 다이아몬드상 탄소 박막 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 표면이 평활한 다이아몬드상 탄소 박막 제조방법은 탄소를 함유한 가스를 분해하는 이온빔 방식에 의해 계면층 및 계면층상의 다이아몬드상 탄소 박막을 형성하는 다이아몬드상 탄소 박막 제조방법에 있어서, 다이아몬드상 탄소 박막 형성시의 양극 전류 및 기판 바이어스 전압 조절에 의해 계면층상의 다이아몬드상 탄소 박막의 평균 표면조도를 계면층 평균 표면조도의 1/5 이하로 유지하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 양극 전류는 0.5 ~ 1.0A 범위로 조절하고, 상기 기판 바이어스 전압은 2.0KV 이상으로 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한 다이아몬드상 탄소 박막 형성시의 양극 전류 및 기판 바이어스 전압 조절에 의해 계면층상의 다이아몬드상 탄소 박막의 최대 표면조도를 계면층 최대 표면조도의 1/5 이하로 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다이아몬드상 탄소 박막 제조방법에 의하면 양극 전류와 기판 바이어스 전압을 적정 범위로 조절함으로서 계면층이 존재하는 경우에도 계면층이 없는 상태와 유사한 표면조도 특성을 갖는 다이아몬드상 탄소 박막을 제조할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 표면이 평활한 다이아몬드상 탄소 박막 제조방법을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 다이아몬드상 탄소 박막 제조방법을 설명하기 위한 피막 제조장치를 나타낸 개략도이다.
도 1을 참조하면, 진공실(1) 내부에 기판이송 및 회전장치(12)에 의해 좌우로의 이송 및 회전이 가능하도록 기판홀더(2)가 구비되며, 상기 기판홀더(2)에 기판(3)이 고정 설치되어 있다. 상기 기판(3)으로는 실리콘(Si) 웨이퍼가 사용될 수 있다. 진공실(1)의 벽면에는 스퍼터링 소스(4)와 이온빔 소스(6)가 부착되어 있다. 상기 스퍼터링 소스(4)에는 계면층 코팅을 위한 타겟(5)이 부착되어 있다. 상기 이온빔 소스(6)는 필라멘트(7)와 양극(8), 이온집속판(9) 및 가스 주입구(10)로 이루어져 있다. 상기 기판(3)에는 바이어스 전압을 인가하기 위한 기판 바이어스 전원(11)이 연결되어 있다. 한편, 계면층 형성을 위한 스퍼터링에 필요한 알곤 가스를 주입하기 위한 별도의 알곤 가스 주입구(12)가 설치된다.
상기 피막 제조장치에 의해 수행되는 다이아몬드상 탄소 박막 제조방법을 설명하면, 우선, 기판(3)을 기판홀더(2)에 장착하고 진공펌프(미도시)를 이용하여 진 공도가 10-5 토르 이하가 되도록 배기한다.
진공도가 10-5 토르 이하가 되면 기판(3)을 청정시킨다. 기판(3)의 청정은 기판(3)을 기판이송 및 회전장치(13)에 의해 이온빔 소스(6) 앞에 위치시킨 다음, 이온빔 소스(6)와 기판 바이어스 전원(11)을 이용하여 실시한다. 즉, 우선 이온빔 소스(6)에 부착된 가스 주입구(10)를 통해 알곤 가스를 주입하면서 필라멘트(7)와 양극(8)에 전압을 인가하여 알곤 플라즈마를 야기시킨다. 다음에 기판 바이어스 전원(11)에 전압을 인가하면 알론 플라즈마 내의 알곤 이온이 기판(3)으로 가속되어 기판(3)에 존재하는 불순물과 산화물을 제거하게 된다. 이러한 상태로 일정시간 기판(3)의 청정을 실시한 후 이온빔 소스(6)의 전원과 알곤 가스의 주입을 차단하고 진공실을 다시 고진공으로 환원시킨다.
기판(3)의 청정이 완료되면 계면층을 코팅하는 단계를 수행한다. 계면층의 코팅은 기판(3)을 다시 스퍼터링 소스(4) 앞에 위치시킨 후 스퍼터링 소스(4)를 이용하여 실시한다. 알곤 가스 주입구(12)를 통해 알곤 가스를 주입하여 진공실(1)을 2x10-3 토르가 되도록 한 후 스퍼터링 소스(4)에 전원을 인가하여 계면층을 코팅한다. 계면층의 코팅이 완료되면 기판(3)을 다시 이온빔 소스(6) 앞으로 배치시킨 후 이온빔 소스(6)를 이용하여 다이아몬드상 탄소 박막을 제조한다.
도 2는 본 발명의 다이아몬드상 탄소 박막 제조방법에 의해 형성된 코팅층의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 제조방법에 의해 기판(3)위에는 계면층(3a)이 형성되며, 계면층(3a)상에는 다이아몬드상 탄소 박막(3b)이 형성된다. 계 면층(3a)은 기판(3)과 다이아몬드상 탄소 박막(3b) 사이의 밀착력을 증진시키는 역할을 수행한다.
이상과 같은 본 발명의 다이아몬드상 탄소 박막 제조방법은 다이아몬드상 탄소 박막 형성시의 양극 전류 및 기판 바이어스 전압을 조절하여 다이아몬드상 탄소 박막을 제조하는 것에 그 특징이 있다.
본 발명자는 다이아몬드상 탄소 박막 형성시의 양극 전류와 기판 바이어스 전압을 조절하는 것에 의해 계면층과 다이아몬드상 탄소 박막으로 이루어진 코팅층의 표면조도 특성을 향상시킬 수 있음을 다음과 같은 실험을 통해 확인할 수 있었으며 실험 내용은 다음과 같다.
우선, 지름 10mm인 실리콘 웨이퍼 기판(3)을 기판홀더(2)에 설치하고 이온빔 소스(6)의 필라멘트(7)를 새 것으로 교체한 다음, 진공펌프를 이용하여 진공도가 10-5 토르 이하가 되도록 배기하였다.
다음으로 기판(3)의 청정을 위해 기판이송 및 회전장치(13)를 기동하여 기판을 이온빔 소스(6) 앞에 배치하였으며, 가스 주입구(10)를 통해 아르곤 가스를 50SCCM 주입하여 진공도가 5 x 10-3 토르가 되도록 조절하고, 양극(8)과 필라멘트(7)에 각각 45V와 17V의 전압을 인가한 후 기판(3)에 주파수가 1.5KHz인 펄스전압을 3KV 인가하여 30분간 기판(3)의 청정을 실시하였다.
기판(3)의 청정이 완료된 후, 첫 번째 층인 계면층(3a)을 형성하였다. 계면층(3a) 형성은 기판(3)을 스퍼터링 소스(4) 앞으로 이동시킨 후 스퍼터링 소스(4) 를 이용하여 Si 타겟(5)을 장착하여 실시하였다. Si 스퍼터링은 알곤 가스 주입구(12)를 통해 알곤 가스를 주입하여 진공도을 3 x 10-3 Torr로 맞춘 다음 기판(3)을 3RPM으로 회전시키면서 Si 타겟(5)에 460V, 1A의 전력을 인가하여 10분간 코팅하여 50nm의 두께로 증착하였다.
도 3은 Si 계면층의 코팅 시간에 따른 표면조도 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, Si 계면층을 코팅한 경우 코팅시간에 따른 평균 표면조도는 0.8 ~ 1.3nm 까지 증가하였으며, 최대 표면조도의 경우 10 ~ 16nm 까지 증가하였다.
다음으로 기판(3)을 다시 이온빔 소스(6) 앞으로 이동시킨 후 이온빔 소스(6) 내에 있는 가스 주입구(10)를 통해 벤젠(C6H6) 가스를 15 SCCM 주입하여 용기(1)내의 진공도를 7 x 10-4 Torr가 되도록 조절하였다.
다음으로 양극(8)에 인가되는 전압과, 필라멘트(7)에 인가되는 전압 및 전류를 조절하여 양극(8)에 흐르는 전류를 변화시키면서 다이아몬드상 탄소 박막(3b)을 제조하였다. 이온집속판(9)에 인가되는 전압은 50V 로 하였으며, 이온빔 내에서 발생된 플라즈마 중 양으로 전리된 가스들이 기판(3) 쪽으로 집속되도록 조절하였다.
이러한 상태에서 기판(3)을 3RPM으로 회전시키면서 기판 바이어스 전원(11) 장치를 기동하여 1.5KHz의 주파수를 가진 펄스전압을 변화시키면서 1시간 코팅하여 두께 0.6 mm의 다이아몬드상 탄소 박막(3b)을 제조하였다.
양극(8) 전류와 기판 바이어스 전압의 변화에 따른 실험결과를 정리하여 아 래의 표1에 나타내었다.
[표1]
Figure 112008088895347-PAT00001
실험결과로부터 본 발명의 범위인 양극 전류 0.5 ~ 1.0(A), 기판 바이어스 전압 2.0(KV)의 조건을 동시에 만족하는 경우에 표면조도 특성이 우수함을 알 수 있다.
본 발명자는 실험에 의해 계면층을 형성하지 않은 상태에서 다이아몬드 탄소 박막을 형성하였을 경우의 표면조도(약 0.15nm 이하)는 계면층 표면조도(약 1.1nm)보다 1/5 배 미만의 값을 가짐을 알 수 있었다. 따라서 계면층이 없는 상태와 유사하도록 표면이 평활한 상태를 갖기 위해서는 계면층 표면조도에 대한 코팅층 표면 조도의 비를 0.2 미만으로 유지하여야 한다.
계면층을 형성한 상태에서 다이아몬드 탄소 박막을 형성하는 경우 계면층에 의해 다이아몬드 탄소 박막의 표면조도는 증가되는 경향을 보이지만 양극 전류를 0.5 ~ 1.0(A)으로 조절하고 기판 바이어스 전압을 2.0(KV) 이상으로 조절하는 경우 계면층을 형성하지 않은 것과 유사한 정도의 표면조도를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
[실시예]
양극(8)에 45V의 전압을 인가하고 필라멘트(7)에 10V, 30A의 전력을 인가하여 양극(8)에 흐르는 전류가 0.5A가 되도록 조절하였으며, 이온집속판(9)에 50V의 양의 전압을 인가하여 이온빔 내에서 발생된 플라즈마 중 양으로 전리된 가스들이 기판쪽으로 집속되도록 조절하였다. 이러한 상태에서 기판(3)을 3RPM으로 회전시키면서 기판 바이어스 전원(11) 장치를 기동하여 1.5KHz의 주파수를 가진 펄스전압을 2KV 인가한 후 1시간을 코팅하여 두께 0.6mm의 다이아몬드상 탄소 박막을 제조하였다. 도 4는 본 발명의 다이아몬드상 탄소 박막 제조방법에 의해 형성된 코팅층의 Si 계면층 코팅 시간에 따른 표면조도 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다. 표면조도는 0.14 ~ 0.16nm로 변화하였으며 평균 표면조도는 0.15nm였다. 최대 표면조도의 경우 2.0 ~ 2.1nm로 계면층만을 코팅한 경우 대비 1/5 미만 수준으로 낮아지고 있음을 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 다이아몬드상 탄소 박막 제조방법을 설명하기 위한 피막 제조장치를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 다이아몬드상 탄소 박막 제조방법에 의해 형성된 코팅층의 단면도.
도 3은 Si 계면층의 코팅 시간에 따른 표면조도 변화를 측정하여 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 다이아몬드상 탄소 박막 제조방법에 의해 형성된 코팅층의 코팅 시간에 따른 표면조도 변화를 측정하여 나타낸 그래프.
♧ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♧
1 : 진공실 2 : 기판홀더 3 : 기판
3a : 계면층 3b : 다이아몬드상 탄소 박막 4 : 스퍼터링 소스
5 : 타겟 6 : 이온빔 소스 7 : 필라멘트
8 : 양극 9 : 이온 집속판 10 : 가스 주입구
11 : 바이어스 전원 12 : 아르곤 가스 주입구 13 : 기판 이송/회전장치

Claims (3)

  1. 탄소를 함유한 가스를 분해하는 이온빔 방식에 의해 계면층 및 계면층상의 다이아몬드상 탄소 박막으로 이루어진 코팅층을 형성하는 다이아몬드상 탄소 박막 제조방법에 있어서,
    다이아몬드상 탄소 박막 형성시의 양극 전류 및 기판 바이어스 전압을 조절하는 것에 의해 계면층 평균 표면조도에 대한 코팅층의 평균 표면조도의 비를 0.2 미만으로 유지하는 것을 특징으로 하는 표면이 평활한 다이아몬드상 탄소 박막의 제조방법.
  2. 탄소를 함유한 가스를 분해하는 이온빔 방식에 의해 계면층 및 계면층상의 다이아몬드상 탄소 박막으로 이루어진 코팅층을 형성하는 다이아몬드상 탄소 박막 제조방법에 있어서,
    다이아몬드상 탄소 박막 형성시의 양극 전류 및 기판 바이어스 전압을 조절하는 것에 의해 계면층 최대 표면조도에 대한 코팅층의 최대 표면조도의 비를 0.2 미만으로 유지하는 것을 특징으로 하는 표면이 평활한 다이아몬드상 탄소 박막의 제조방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 양극 전류는 0.5 ~ 1.0A 범위로 조절하고,
    상기 기판 바이어스 전압은 2.0KV 이상으로 조절하는 것을 특징으로 하는 표면이 평활한 다이아몬드상 탄소 박막의 제조방법.
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