KR20110047191A - 스파크 증발을 위한 타깃의 용도, 및 상기 용도에 적합한 타깃의 제조 방법 - Google Patents

스파크 증발을 위한 타깃의 용도, 및 상기 용도에 적합한 타깃의 제조 방법 Download PDF

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오를리콘 트레이딩 아크티엔게젤샤프트, 트뤼프바흐
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Abstract

본 발명은 스파크 증발에 의한 금속 산화물 층 및/또는 금속 질화물 층의 코팅 방법을 위한 타깃의 사용 방법에 관한 것이며, 상기 타깃은 타깃에 사용된 금속의 융점보다 더 높은 온도로 작동될 수 있고, 상기 타깃은 비-전기 전도성인 산화물 및/또는 질화물을 가진 금속으로 이루어진다. 또한, 본 발명은 스파크 증발에 의해 금속 산화물 층 및/또는 금속 질화물 층을 제조하기 위한, 타깃의 용도에 관한 것이며, 상기 타깃은 금속으로 이루어진 매트릭스를 포함하고, 상기 매트릭스 내에 금속의 비-전기 전도성 산화물 및/또는 질화물이 매립된다.

Description

스파크 증발을 위한 타깃의 용도, 및 상기 용도에 적합한 타깃의 제조 방법{USE OF A TARGET FOR SPARK EVAPORATION, AND METHOD FOR PRODUCING A TARGET SUITABLE FOR SAID USE}
본 발명은 스파크 증발에 의한 금속 산화물 층 및/또는 금속 질화물 층의 코팅을 위한 코팅 장치 내에 타깃의 용도, 및 스파크 증발에 의한 금속 산화물 층의 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 하나 이상의 금속 성분 및 세라믹 성분을 포함하는 타깃의 작동에 관한 것이다. 본 발명은 저-용융 성분으로서 알루미늄을 포함하는 타깃에 특히 중요하다.
캐소드 스파크 증발은 수년 전부터 공지된 방법이며, 이 방법은 공구 및 부품의 코팅을 위해 적용되고, 이 방법에 의해 매우 다양한 금속 층들 및 금속 질화물, 금속 탄화물 및 금속 탄화질화물(carbonitride)이 증착된다. 이러한 모든 용도에서, 타깃은 낮은 전압 및 높은 전류로 작동되는 스파크 방전의 캐소드이고, 스파크 방전에 의해 타깃-(캐소드)-재료가 증발된다. 스파크 방전을 작동시키는 가장 간단하고 가장 저렴한 전류 공급 방법으로는 직류 전압 공급 방법이 사용된다.
스파크 증발에 의한 금속 산화물의 제조는 문제점들을 갖는다. 산화물 층을 예컨대 공구 또는 부품에 증착하기 위해, 직류 스파크 방전을 산소 중에서 또는 산소 함유 분위기에서 작동시키는 것이 어렵다. 타깃에 절연 층이 덮임으로써 공정이 제어되지 못할 위험이 있다.
이로 인해, 타깃에서 스파크가 일어나는 전기 전도성 영역이 줄어들고 결국 스파크 방전이 중단된다.
US 5 518 597에는 산화물 층의 제조가 개시되며, 여기서 층 증착은 높은 온도에서 이루어지고, 방법은 애노드가 가열되고(800℃-1200℃), 반응성 가스가 타깃에 직접 유입되지 않는 것을 기초로 한다. 높은 애노드 온도는 애노드를 전도 상태로 유지시키고 스파크의 안정한 작동을 가능하게 한다.
애노드에서와 유사하게, 높은 온도에서 캐소드의 작동은 적어도 타깃 오염의 문제를 줄여야 한다. 따라서, 코팅 장치에서 타깃이 높은 온도로, 특히 타깃에 사용되는 금속의 융점보다 높은 온도로 작동되는 것이 바람직하다.
이는 타깃 재료의 융점을 높이고, 그에 따라 타깃 재료의 증발 엔탈피를 높이는 타깃의 사용에 의해 이루어질 수 있다. 선행 기술에서는 질화물 층의 제조를 위해 사용되는 타깃이 금속 Ti, 및 타깃 융점을 높이는 전기 전도성 TiN을 포함하는 기술이 공지되어 있다. 증발시 제거되는 TiN은 상기 층 내로 직접 삽입될 수 있다. TiN이 전도성 재료이기 때문에, 스파크가 방해 없이 타깃 표면에서 이동할 수 있고, 타깃 재료의 증발 엔탈피의 증가로 인해 타깃 재료와 "오염된" 타깃 표면의 증발 엔탈피의 차이가 최소화된다.
TiAlN-층의 제조를 위해서도 티타늄 및 알루미늄으로 이루어진 합금 타깃을 사용하는 것이 공지되어 있다. 상기 합금 타깃에는 융점을 높이기 위한 TiN으로 이루어진 전기 전도성 재료가 혼합된다. 상기 층이 크롬 성분도 포함해야 하면, 전도성 CrN이 혼합된 타깃이 사용될 수 있다. 선행 기술에 따라, 금속 타깃에 혼합된 재료가 2가지 조건을 충족시켜야 한다: 한편으로는 재료가 전류를 전도해야 하고, 다른 한편으로는 재료가 형성할 층의 성분이어야 한다. 주기율표의 Ⅳa-, Ⅴa-, Ⅵa-그룹의 금속의 질화물은 전도성을 갖지만, 다른 금속의 질화물은 전도성을 갖지 않는다. 이는 상기 기술에 사용될 수 있는 재료의 선택을 심하게 제한한다. 따라서, 요구되는 재료에 의한 융점 상승도 어렵다. 또한, 형성할 층이 절연 층만을 포함하면, 선행 기술에 따라 융점 상승을 위한 처리가 이루어질 수 없다.
즉, Al-타깃에 대해 융점 상승의 전술한 가능성이 지금까지 제공될 수 없었는데, 그 이유는 질화알루미늄 및 산화알루미늄이 전기 전도성을 갖지 않기 때문이다. 따라서, 금속 성분으로서 알루미늄만을 포함하는 비전도성 층(예컨대, 산화물)의 제조는 여전히 어렵다.
본 발명의 과제는 스파크 증발에 의해 금속 성분을 가진 비전도성 층을 기판 상에 제공하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라 비-전기 전도성 질화물 및/또는 산화물을 가진 금속으로 이루어진 매트릭스를 가진 타깃이 사용되고, 상기 타깃은 선행 기술에 비해 높아진 융점을 갖는다.
본 발명에 따라 타깃의 금속의 비전도성 산화물 및/또는 질화물이 타깃의 금속의 매트릭스 내로 삽입된, 타깃이 사용된다.
타깃의 표면이 거시적으로 볼 때 여전히 전기 전도성을 갖도록, 타깃에 비전도성 재료가 혼합된다. 이는 비전도성 성분이 전도성 기본 재료의 매트릭스 내로 삽입됨으로써 보장된다. 전도성 매트릭스는 표면에서 관련 네트워크에 놓이고, 상기 네트워크는 본 발명에 따른 용도에서 스파크가 타깃을 지나 이동하는 것을 가능하게 한다.
바람직한 실시예에 따라, 타깃의 알루미늄 매트릭스 내로 비전도성 산화알루미늄 입자가 삽입된, 타깃이 사용된다.
바람직한 실시예에 따라, 산화알루미늄 입자가 100 ㎛미만의, 특히 50 ㎛ 미만의 직경을 갖는다. 비전도성 성분은 특히 거시적으로 볼 때 타깃 융점 및 필요한 증발 엔탈피가 높아질 정도로 미세한 입자로서 타깃 내로 삽입된다. 또한, 스파크의 용융 범위가 더 낮은 융점(예컨대, 알루미늄)에 의해 제한되어야 한다. 이로 인해, 액적 방출이 감소한다.
바람직하게는, 알루미늄 매트릭스 내의 산화알루미늄의 양이 70 부피% 보다 작은, 타깃이 사용된다.
다른 바람직한 실시예에 따라, 사용된 타깃은 분말 야금의 타깃이다.
대안으로서, 알루미늄 내에 삽입된 산화알루미늄 분말로 이루어진 타깃이 사용될 수 있다.
다른 대안적 실시예에 따라, 홀로그래픽 구조화 방법에 의해 제조되는 타깃이 사용되고, 산화알루미늄 층은 산화알루미늄 사이에 생기는 트렌치가 알루미늄으로 채워지도록 구조화된다.
또한, 사용된 타깃이 알루미늄 매트릭스를 가지며, 상기 매트릭스 내에 비전도성 알루미늄 입자가 삽입된다.
사용된 타깃 내에, 제 1 입자 직경을 가진 질화알루미늄 입자 및 제 2 입자 직경을 가진 알루미늄 입자가 주어지고, 상기 제 1 입자 직경은 상기 제 2 입자 직경보다 크고, 특히 제 2 입자 직경보다 3배 더 크다.
다른 바람직한 실시예에 따라 제 1 입자 직경은 약 120 ㎛이고, 제 2 입자 직경은 약 40 ㎛이다.
본 발명에 따라, 스파크 증발에 의해 금속 산화물 층 및/또는 금속 질화물 층의 제조를 위해 사용될 수 있는 타깃도 제공된다. 타깃은 금속으로 이루어진 매트릭스를 포함하고, 상기 매트릭스 내에 금속의 비-전기 전도성 산화물 및/또는 질화물이 매립된다.
바람직하게는 매트릭스 내 비-전기 전도성 산화물 및/또는 질화물의 양은 70 부피%보다 작다.
바람직한 실시예에 따라, 매트릭스는 산화알루미늄 또는 질화알루미늄이 매립된 알루미늄으로 이루어진다.
본 발명에 따라, 스파크 증발에 의해 금속 성분을 가진 비전도성 층을 기판 상에 제공하는 방법이 제공된다.
이하에서, 본 발명의 실시예가 첨부된 도면을 참고로 구체적으로 설명된다.
도 1은 스파크 증발시 스파크에서 "보이는" 것보다 약 팩터 3 만큼 더 작은 알루미늄 입자로 이루어진 알루미늄 환경 내에 매립된 약 120 ㎛ 크기의, 질화된 알루미늄 입자를 가진, 본 발명에 따라 사용될 타깃의 표면을 나타낸 개략도.
도 2는 알루미늄 크로스 격자 내에 매립된, 산화알루미늄-섬(island; 빗금)의 규칙적인 배치를 가진, 홀로그래픽 기술에 의해 제조된 본 발명에 따른 타깃의 부분.
본 발명의 실시예는 알루미늄 타깃에 의해 예시적으로 설명된다. 알루미늄은 저-용융 재료이다. 스파크 증발에 의해 산화알루미늄이 제조되어야 하면, 전형적으로 사용될 증발 조건에서 알루미늄 타깃에 대해 타깃 오염이 큰 문제이다. 선행 기술에 따른 융점 상승의 방법은 전술한 바와 같이 적용될 수 없는데, 그 이유는 산화알루미늄이 매우 양호한 아이솔레이터를 형성하기 때문이다.
본 발명에 따른 방법에서, 타깃의 산화알루미늄 입자는 약 50 ㎛의 크기, 바람직하게는 50 ㎛ 이하의 직경을 갖거나 또는 스파크 직경의 전형적인 크기에 맞추기 위해, 상기 직경을 크게 초과하지 않아야 한다. 더 높은 융점으로 인해 산화알루미늄은 용해되지 않고, 알루미늄 입자들은 관련 알루미늄 매트릭스 내로 매립된다. 그 때문에, 알루미늄에 비한 산화알루미늄의 양이 많아질수록, 특히 코팅 적용시 타깃의 융점이 더 높아진다. 그러나, 알루미늄 농도가 너무 낮으면 타깃 표면의 전도성은 안정한 스파크 증발을 작동하기에는 너무 낮은 것으로 밝혀졌다. 따라서, 실시예에서는 70 부피% 미만의 산화알루미늄 양을 가진 타깃이 사용된다.
타깃을 제조하기 위해, 여러 가지 방법이 사용될 수 있다. 제 1 실시예에 따라, 공지된 분말 야금 방법에 의해 제조가 이루어질 수 있다. 여기서, 알루미늄은 미세한 분말로 분쇄되고 산화알루미늄도 미세한 분말로 분쇄된다.
도 2와 관련해서 설명되는 타깃의 제조를 위한 방법에 따라, 홀로그래픽 구조화 방법이 적용되고, 산화알루미늄 층은 규칙적인 격자의 형태로 구조화된다. 이로 인해 생긴 트렌치는 알루미늄으로 채워진다. 바람직하게는 산화알루미늄이 2개의 방향 x, y으로 구조화됨으로써, 규칙적인 산화알루미늄 섬이 생기고 알루미늄 자체가 크로스 격자로서 2개의 방향 x, y 으로 전기 전도성을 허용한다.
이러한 표면 구조들이 수 10 nm 내지 수 10 ㎛의 격자 주기로 큰 면으로 구현될 수 있다. 바람직하게는 500 nm 내지 20 ㎛의 격자 주기가 사용되고, 특히 바람직하게는 2 ㎛의 격자 주기가 사용된다.
알루미늄 매트릭스 및 그 안에 매립된 산화알루미늄과 관련해서 전술한 방법은 전기 아이솔레이터가 전도성 매트릭스 내에 매립된다면 모든 전기 아이솔레이터에 적용될 수 있다. 여기서, 매트릭스는 넓은 의미로 해석되어야 하는데, 그 이유는 매트릭스가 단지 전기 전하를 방출할 수 있다는 것만을 보장함으로써 스파크의 스팟이 항상 방해 없이 전도성 표면에서 이동할 수 있으면 되기 때문이다.
층이 AlN 성분으로 구성되어야 하면, 상기 층 상에서 전술한 방식으로 AIN이 금속 매트릭스 내로 매립될 수 있다. 또한, 융점을 높이기 위한 본 발명에 따른 조치가 선행 기술에 공지된 조치와 조합될 수 있다. 예컨대, TiAlN-층을 스파크 증발에 의해 제조하기 위해, 금속 Ti, 금속 Al, 전도성 화합물 TiN 및 아이솔레이터 AlN이 성분으로서 통합된 타깃이 사용될 수 있다.
그러나, 이 설명과 함께 본 발명의 다른 관점이 명확히 설명되어야 한다. 금속 알루미늄 입자를 산소로 농축하는 것이 확산 배리어로서 작용하는 산화물 막으로 인해 어렵다는 것은 당업자에게 공지되어 있다.
잘 알려진 바와 같이, 질화알루미늄에서 질소가 알루미늄 내로 수 100 nm 확산할 수 있다. 즉, AlN이 표면에 생성후 충분한 투과성을 가지므로, 다른 질소가 알루미늄의 더 깊은 영역 내로 확산할 수 있다. 이것이 산화알루미늄에서는 불가능하다는 것이 공지되어 있다: 제 1의, 가장 상부의 및 대개 단지 수 나노미터 두께의 산화알루미늄 층이 다른 산소에 대한 강한 확산 배리어를 형성하므로, 추가의, 더 깊은 산화가 일어나지 않는다. 알루미늄 거울이 광학적으로 안정하다는 것에 기여하는 상기 사실은 여기에 설명된 바와 관련해서 산화알루미늄이 충분히 생기지 않는다는 부정적인 결과를 가져온다.
코팅 공정에서 전술한 문제점을 피하기 위해, 실시예에 따라 알루미늄 매트릭스 내에 매립된, 미세하게 분포된 질화물 및 알루미늄을 포함하는 입자를 포함하는 타깃이 알루미늄을 포함하는, 바람직하게는 산화물 특성을 가진 층의 제조에 사용된다. 상기 입자는 금속의, 저-용융 알루미늄의 제어되지 않은 국부적 용융 및 그로 인한 매크로 입자의 방출을 줄이기 위해 필요한 타깃의 융점 상승을 일으킨다. 스파크 증발 공정에서 산소가 공정 가스로서 첨가되면, 실질적으로 질소 없는 산화알루미늄 층이 형성되는 것이 확인되었다. AlN은 분리되고, Al은 제공된 산소와 결합한다.
본 발명에 따른 코팅 방법에 따라, 타깃의 필요한 증발 엔탈피가 순수한 금속의 증발 엔탈피보다 높지만, 조성물의 증발 엔탈피 바로 아래이다.
본 설명의 범주에서, 비-전기 전도성인 질화물 및/또는 산화물을 가진 금속으로 이루어진 타깃이 스파크 증발을 위해 사용될 수 있다는 것이 설명되었다. 상기 질화물 및/또는 산화물이 미세한, 비전도성 입자의 형태로 금속의 매트릭스(4) 내로 삽입될 수 있고, 이 조성물을 포함하는, 높아진 융점을 가진 타깃으로 스파크 증발이 작동될 수 있다. 스파크 감소 및 불안정성의 문제는 완전히 방지되거나 적어도 현저히 감소한다.
1 산화알루미늄 층
2 트렌치
3 산화알루미늄 섬
4 매트릭스

Claims (6)

  1. 금속 산화물 층 및/또는 금속 질화물 층의 제조를 위한 스파크 증발 코팅 방법에서 타깃의 용도로서, 상기 타깃의 금속의 비전도성 산화물 및/또는 질화물이 상기 타깃의 금속의 매트릭스 내로 삽입됨으로써, 상기 타깃이 상기 타깃에 사용된 금속의 융점보다 높은 온도로 작동될 수 있는, 타깃이 사용되는, 타깃의 용도.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 타깃은 비전도성 산화알루미늄 입자 및/또는 질화알루미늄 입자가 삽입된 알루미늄 매트릭스를 갖는, 타깃의 용도.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 산화알루미늄 입자는 전형적인 스파크 직경보다 작은, 따라서 100 ㎛보다 작은, 바람직하게는 50 ㎛보다 작은 직경을 갖는, 타깃의 용도.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 알루미늄 매트릭스 내의 산화알루미늄의 양은 70 부피%보다 작은, 타깃의 용도.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 타깃은 분말 야금의 타깃인, 타깃의 용도.
  6. 제 2항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 용도에 적합한 타깃의 제조 방법으로서, 상기 타깃은 홀로그래픽 구조화 방법에 의해 제조되고, 산화알루미늄 층은 격자의 형태로 구조화되고, 상기 격자 내에 생긴 트렌치가 알루미늄으로 채워지는, 타깃의 제조 방법.
KR1020117002931A 2008-08-17 2009-08-10 스파크 증발을 위한 타깃의 용도, 및 상기 용도에 적합한 타깃의 제조 방법 KR20110047191A (ko)

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