KR20120074050A - 기판에의 경질 피막 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판에의 경질 박막을 제조하는 방법에 관한 것으로, 진공실 내에서 불활성 가스와 반응성 가스가 혼합된 가스 분위기에서 스퍼터링 소스와, 상기 스퍼터링 소스에 설치된 타겟과, 상기 타겟과 대향하여 설치되는 기판을 이용하는 스퍼터링을 이용한 경질 박막의 제조방법에 있어서, 상기 진공실을 배기시키는 단계; 상기 기판을 청정시키는 단계; 상기 타겟을 스퍼터링하는 단계; 상기 스퍼터링에 의하여 상기 기판에 금속 성분만으로 이루어진 피막을 제조하는 단계; 반응성 가스 주입하는 단계; 상기 반응성 가스에 의해 상기 기판에 하나 이상의 피막을 형성하는 단계; 상기 하나 이상의 피막을 형성하면서 반응성 가스의 유량을 단계적으로 조절하여 화합물의 성분이 다른 경사막을 코팅하는 단계; 를 포함하는 기판에의 경질 박막 제조방법을 제공하여,
각 단계별 코팅 층의 성장이 연결되지 않고 층의 형태로 구성되어 있어 박막의 스트레스를 저하시켜 밀착력을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 내마모성이 우수한 경질 피막을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

기판에의 경질 피막 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF HARD COATING ON SUBSTRATE}

본 발명은 기판에의 경질 피막을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응성 가스 분위기에서 금속 타겟을 스퍼터링하여 이루어지는 반응성 가스의 스퍼터링을 이용하여 피막을 제조하되, 반응 가스의 유량 및 온도를 제어하여 단일 물질계의 경사막을 제조함으로써 경도가 높고 밀착성이 우수한 경질 박막을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 경질 피막을 제조하는 방법은 크게 습식도금과 진공코팅 방법이 있다. 습식도금에 의한 경질피막은 전기도금과 양극산화 등의 방법이 있는데, 전기도금에서는 피도금체를 음극으로 하여 전압을 인가하면 용액내의 이온이 음극에 부착되어 피막이 형성되는 방법으로 주로 경질크롬과 니켈도금 등이 있다.

한편, 황산과 같은 산소를 발생하는 전해액 내에서 기판을 양극으로 하고 대향 전극으로 납 등과 같은 불활성 재료를 음극으로 하여 전류를 흘리면 양극에 산소 가스가 발생하고 이 때 발생된 산소 가스에 의해 기판표면에 산화막이 형성되는데 이러한 방법을 양극산화라고 한다.

또한, 진공 코팅에 의해 경질 피막을 제조하는 방법에는 물리증착과 화학증착 방법이 있다. 물리증착에 의한 경질피막의 제조에는 스퍼터링과 아크 증착 그리고 이온플레이팅 방법이 주로 이용되는데, 상기 방법 중에서 스퍼터링은 불활성 가스 분위기에서 타겟에 고전압을 인가하여 플라즈마 방전을 유도한 후 플라즈마에 존재하는 불활성 가스 이온이 타겟에 충돌하여 타겟 원자를 떼어낸 후 용기에 들어있는 반응성 가스와 반응시켜 기판에 박막을 증착하는 방법이다.

아크 증착은 타겟에 아크를 발생시킨 후 발생된 아크를 타겟에 구속시키면 아크 덩어리가 타겟 표면을 이동하면서 타겟 물질을 떼어내어 기판에 증착하는 기술로 스퍼터링과 마찬가지로 반응성 가스를 주입하면 고경도의 경질 박막이 형성된다.

이온 플레이팅은 반응성 가스 분위기에서 증발 물질을 이온화시키면서 동시에 기판에 음의 전압을 인가하여 높은 에너지로 가속시켜 기판에 화합물 박막을 형성시키는 방법이다.

한편, 화학증착법은 금속을 함유하는 가스와 반응성 가스를 진공 용기에서 반응시켜 기판에 화합물 박막을 형성시키는 방법으로 기판을 고온으로 가열하거나 플라즈마를 이용하여 반응성을 향상시키는 방법으로 경질 코팅을 제조하고 있다. 화학증착의 경우 물리증착에 비해 상대적으로 높은 온도를 요구하기 때문에 공구강과 같이 고온으로 가열하여도 변형이 가지 않는 재료에 주로 이용되고 있다.

물리증착이나 화학증착에서 경질피막을 제조하기 위해서는 기판을 고온으로 가열할 필요가 있다. 이는 피막과 기판과의 밀착력 및 피막 자체의 결합력을 향상시키기 위한 것이며 이런 특성을 얻기 위해서는 200℃ 이상으로 기판을 가열할 필요가 있다. 그러나, 200℃ 이상으로 가열할 경우 기판이 변형되거나 파손이 발생하는 연질 기판의 경우는 문제가 발생하게 된다. 또한 연질의 재료 표면에 경도차이가 큰 경질 코팅을 할 경우 박막의 스트레스 및 경도 차이에 의해 박리가 발생하게 된다.

그리고, 기판과 피막의 밀착력을 향상시키는 전형적인 방법으로 계면층을 이용하거나 기판에 질화 처리 등의 방법으로 기판 표면의 경도를 높인 다음 경질 피막을 제조하는 방법이 있다. 그러나 상기 방법도 연성 기판의 경우는 사용이 곤란한 단점이 있다. 한편, 경질 피막의 경도를 높이기 위해서는 2~4 미크론 정도의 두께가 요구된다. 이렇게 두꺼운 경질 피막을 제조하면 막이 가지는 스트레스로 인해 쉽게 박리가 발생하거나 피막의 결합력이 떨어지는 문제가 있다.

그리고, 연질 기판에 고경도 코팅을 하는 예로 알루미늄 플랜지가 있는데, 고진공 용기의 연결 부위에 사용되는 알루미늄 플랜지는 용기와의 진공 봉합을 위해 알루미늄 가스켓을 사용하는데 이 경우 나이프 에지의 경도가 낮아 에지가 쉽게 손상되거나 에지와 가스켓이 서로 달라붙어 교체가 어려워지는 문제가 발생한다.

상기 문제점을 방지하기 위해 질화티타늄과 같은 경질 코팅을 나이프 에지에 코팅하여 사용하는 경우가 있다. 그러나 알루미늄 플랜지에 사용되는 재질은 150℃ 이상으로 가열하면 변형이 가는 재질이어서 온도를 올리지 못하기 때문에 밀착력이 우수한 경질 피막을 제조하는 것이 어려운 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 단일 물질계의 경사 코팅 방법을 이용하여 제1층으로 경도가 낮은 금속을 코팅한 다음 반응성 가스를 주입하되 단계적으로 가스 유량을 증가시키며 단계와 단계 사이에는 냉각 시간을 가져 온도에 민감한 연질의 기판에 내마모 및 밀착 특성이 우수한 경질 피막의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예는 진공실 내에서 불활성 가스와 반응성 가스가 혼합된 가스 분위기에서 스퍼터링 소스와, 상기 스퍼터링 소스에 설치된 타겟과, 상기 타겟과 대향하여 설치되는 기판을 이용하는 스퍼터링을 이용한 경질 박막의 제조방법에 있어서, 상기 진공실을 배기시키는 단계; 상기 기판을 청정시키는 단계; 상기 타겟을 스퍼터링하는 단계; 상기 스퍼터링에 의하여 상기 기판에 금속 성분만으로 이루어진 피막을 제조하는 단계; 반응성 가스 주입하는 단계; 상기 반응성 가스에 의해 상기 기판에 하나 이상의 피막을 형성하는 단계; 상기 하나 이상의 피막을 형성하면서 반응성 가스의 유량을 단계적으로 조절하여 화합물의 성분이 다른 경사막을 코팅하는 단계; 를 포함하는 기판에의 경질 박막 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 실시예의 진공실을 배기시키는 단계는 10^{- 5}토르 이하로 배기시키고, 기판을 청정시키는 단계는 6ⅹ10^-2 토르 이하의 아르곤 분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 실시예의 스퍼터링하는 단계는 아르곤 가스를 주입하여 스퍼터링을 위한 진공을 만드는 단계, 타겟에 전압을 인가하여 스퍼터링을 유도하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 스퍼터링을 위한 진공도는 10^-3 토르 이하이고, 스퍼터링을 유도하는 단계에서의 진공도는 3ⅹ10^-3 토르 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 실시예의 반응성 가스는 질소, 아세틸렌, 산소 중 어느 하나이고, 코팅하는 단계는 코팅 층이 외곽으로 갈수록 탄소 성분이 증가하고, 최외곽 층은 경도가 가장 높은 층이 되도록 가스 유량을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 실시예의 코팅 층의 최외곽 층은 금속과 탄소의 원자비가 1: 0.9 ~ 1.1인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 실시예의 상기 기판을 청정하는 단계 이후에는 상기 진공실의 진공도를 원상태로 복귀시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 실시예의 코팅 층은 3개 이상인 것을 특징으로 한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 각 단계별 코팅 층의 성장이 연결되지 않고 층의 형태로 구성되어 있어 박막의 스트레스를 저하시켜 밀착력을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 내마모성이 우수한 경질 피막을 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예의 피막 제조 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예의 코팅층의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예의 코팅층의 단면의 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 위주로 설명한다.

이러한 실시예는 본 발명에 따른 실시예의 일례로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현할 수 있으므로, 본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다 할 것이다.

본 발명에 따른 실시예는 진공실 내에서 불활성 가스와 반응성 가스가 혼합된 가스 분위기에서 스퍼터링 소스(2)와, 상기 스퍼터링 소스(2)에 설치된 타겟(4)과, 상기 타겟(4)과 대향하여 설치되는 기판(5)을 포함하는 스퍼터링을 이용한 경질 박막의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 비평형 마그네트론 스퍼터링 소스(2)가 부착된 통상의 스퍼터링 장치에서 이루어지며, 도 1은 본 발명에 따른 실시예의 코팅 장치의 개략도이다.

상기 코팅 장치의 구성을 살펴보면, 진공실(1)내의 옆면에 스퍼터링 소스(2)와 전자석(3)이 설치되어 있고, 진공실(1) 내부에는 타겟(4)과 기판(5) 그리고 기판(5)을 지지하기 위한 기판홀더(6)와 기판(5)의 온도 제어를 위한 히터(7)가 설치되어 있다. 그 외에 스퍼터링에 사용되는 가스를 주입하기 위한 가스 도입구(12), 스퍼터링 소스(2)에 전원을 인가하기 위한 스퍼터링 전원(9), 기판(5)에 전압을 인가하기 위한 바이어스 전원(10), 기판(5) 가열에 사용되는 히터 전원(11) 장치가 구비되어 있다.

상기 가스 도입구(12)에는 아르곤과 함께 반응성 가스인 질소와 아세틸렌, 산소 가스 등을 주입하도록 되어 있으며 아르곤 가스는 기판(5)의 청정과 스퍼터링 공정에서 플라즈마를 유도하기 위한 것이며, 반응성 가스는 경질 박막을 제조하는데 사용된다. 또한 진공도를 측정하고 제어하는 진공 게이지(13)가 진공실(1)의 상부 일측에 부착되어 있다.

상기 경질 박막은 기판(5)에 단일 물질계의 화합물을 경사 코팅하는 방법을 이용하여 제조하는 것으로, 상기 진공실(1)을 10^-5 토르 이하로 배기시키는 단계, 상기 기판(5)을 6ⅹ10^-2 토르 이하의 아르곤 분위기에서 청정시키는 단계, 상기 타겟(4)을 스퍼터링하여 상기 기판(5)에 금속 성분만으로 이루어진 피막(22,32)을 제조하는 단계, 반응성 가스를 주입하는 단계, 상기 반응성 가스에 의해 상기 기판(5)에 하나 이상의 피막(23,33)을 형성하는 단계, 상기 하나 이상의 피막(23,33)을 형성하면서 반응성 가스의 유량을 단계적으로 조절하여 화합물의 성분이 다른 경사막을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 스퍼터링을 위해서는 아르곤 가스를 주입하여 스퍼터링을 위한 진공을 10^-3 토르 이하로 만들고, 타겟(4)에 전압을 인가하여 3ⅹ10^-3 토르 이하에서 스퍼터링을 유도하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 기판(5)을 청정한 후에는 상기 진공실(1)의 진공도를 원래의 상태로 복귀시킨다.

상기 반응성 가스는 질소, 아세티리렌, 산소 중 어느 하나를 선택할 수 있으며, 상기 코팅은 경사 코팅하여 코팅 층이 위(외곽)로 갈수록 탄소 성분이 증가하고, 구분되도록 하여 코팅 층이 3개 이상이 되도록 하며, 최외곽 층은 금속과 탄소(반응성분)의 원자비가 1: 0.9~1.1이며, 경도가 가장 높은 층이 되도록 가스 유량을 제어한다.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예을 보다 구체적으로 설명한다.

실시예1은 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 실시예에 의한 방법으로 경질 박막인 탄화티타늄을 제조한 경우이다.

이때 사용된 기판(5)은 구리가 첨가된 알루미늄 합금으로 150℃ 이상이 되면 변형이 되는 기판이다. 기판(5)은 진공실(1)에 장착하기 전 알칼리 세척과 함께 아세톤과 알코올을 이용한 초음파 세척을 통해 충분한 전처리를 거쳤다. 전처리를 거친 시편은 진공실(1)의 내부에 설치된 기판홀더(6)에 부착시키고, 티타늄 타겟(4)을 장착한 다음 진공펌프(미도시)를 이용하여 배기시켰다. 진공도가 10^-5 토르 이하가 되면 기판(5)의 청정을 위해 아르곤 가스를 100SCCM 주입하여 진공도가 6x10^-2 토르가 되도록 조절한 후 바이어스 전원(10)에 800V의 펄스 전압을 인가하여 30분간 기판(5)을 청정시켰다.

상기 기판(5) 청정이 완료된 후 기판(5)을 2RPM으로 회전시키면서 가스 도입구(12)를 통해 아르곤 가스를 주입하여 진공실(1)의 진공도를 3ⅹ10^-3 토르로 유지시키면서 전자석(3)에 2A의 전류를 인가하고 스퍼터링 전원(10)에 500V, 2A의 전력을 인가하여 플라즈마를 생성하여 1단계로 금속 티타늄층(22)을 5분간 코팅하였다.

이후에 아세틸렌 가스를 단계별로 5, 10, 20, 30 SCCM 주입하여 탄화티타늄층(23)을 코팅하여 총 두께가 3-4㎛가 되도록 하였다. 탄화티타늄층(23)의 코팅에 있어서는 한 단계가 완료되면 기판(5)의 냉각을 위해 20분씩 냉각을 시키고 다시 코팅하는 방법을 이용하였다.

상기와 같은 방법에 의해 성분이 서로 다른 탄화티타늄층(23)을 4층 형성하였다. 이 때, 탄화티타늄의 성분은 위로 갈수록 탄소의 성분이 증가하도록 조절하고 최외곽층의 탄소 성분의 함량이 원자비 기준으로 0.9 ~ 1.1로 조절하는 것이 바람직한데 이는 최외곽층의 경도를 가장 높은 값으로 유지하기 위한 것으로써 탄소의 원자비가 0.9 이하가 되면 경도가 낮고 1.1 이상이 되면 피막 자체의 결합력이 떨어지면서 동시에 경도가 낮아지기 때문이다.

도 3은 코팅층의 단면 구조를 보여주는 전자현미경 사진인데, 티타늄 층(32)과 탄화티타늄층(33)이 비교적 잘 구분되어 있음을 알 수 있다. 특히, 각 단계별 코팅층의 성장이 연결되지 않고 층의 형태로 구성되어 있음을 알 수 있는데, 이는 박막의 스트레스를 저하시켜 밀착력 향상에 중요한 역할을 하게 된다.

본 발명의 효과를 설명하기 위해 박막 제조 후 밀착력을 평가하고 기존의 방법과 비교하였다. 그 결과 탄화티타늄의 단일층 및 계면층과 탄화티타늄의 2층으로 이루어진 코팅에서는 테이프 시험에서 박리가 발생하였으나 3층 이상의 경우는 박리가 발생하지 않았다.

한편, 경도 시험에서는 하중을 5g으로 하여 측정한 결과 비커스 경도가 1400 ~ 1800 Hv를 나타내었다.

본 발명의 방법으로 경질 코팅을 제조하면 저온에서도 내마모성과 밀착성이 우수한 경질 피막의 제조가 가능하여 온도에 민감한 기판 소재에 경질 코팅의 적용이 가능하다.

1: 진공실 2: 스퍼터링 소스
3: 전자석 4: 타겟
5: 기판 6: 기판홀더
7: 히터 8: 기판 회전 장치
9: 스퍼터링 전원 10: 바이어스 전원
11: 히터 전원 12: 가스 도입구
13: 진공 게이지 21,31: 알루미늄 합금 기판
22,32: 티타늄 코팅 층 23,33: 티타늄 화합물층

Claims (10)

1. 진공실 내에서 불활성 가스와 반응성 가스가 혼합된 가스 분위기에서 스퍼터링 소스와, 상기 스퍼터링 소스에 설치된 타겟과, 상기 타겟과 대향하여 설치되는 기판을 이용하는 스퍼터링을 이용한 경질 박막의 제조방법에 있어서,
   상기 진공실을 배기시키는 단계;
   상기 기판을 청정시키는 단계;
   상기 타겟을 스퍼터링하는 단계;
   상기 스퍼터링에 의하여 상기 기판에 금속 성분만으로 이루어진 피막을 제조하는 단계;
   반응성 가스 주입하는 단계;
   상기 반응성 가스에 의해 상기 기판에 하나 이상의 피막을 형성하는 단계;
   상기 하나 이상의 피막을 형성하면서 반응성 가스의 유량을 단계적으로 조절하여 화합물의 성분이 다른 경사막을 코팅하는 단계;
   를 포함하는 기판에의 경질 박막 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 진공실을 배기시키는 단계는 10^-5 토르 이하로 배기시키는 것을 특징으로 하는 기판에의 경질 박막 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 기판을 청정시키는 단계는 6ⅹ10^-2 토르 이하의 아르곤 분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 기판에의 경질 박막 제조방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 스퍼터링하는 단계는 아르곤 가스를 주입하여 스퍼터링을 위한 진공을 만드는 단계, 타겟에 전압을 인가하여 스퍼터링을 유도하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판에의 경질 피막 제조방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 스퍼터링을 위한 진공도는 10^-3 토르 이하이고, 스퍼터링을 유도하는 단계에서의 진공도는 3ⅹ10^-3 토르 이하인 것을 특징으로 하는 기판에의 경질 피막 제조방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 반응성 가스는 질소, 아세틸렌, 산소 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기판에의 경질 피막 제조방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 코팅하는 단계는 코팅 층이 외곽으로 갈수록 탄소 성분이 증가하고, 최외곽 층은 경도가 가장 높은 층이 되도록 가스 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 기판에의 경질 피막 제조방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 코팅 층의 최외곽 층은 금속과 탄소의 원자비가 1: 0.9 ~ 1.1인 것을 특징으로 하는 기판에의 경질 피막 제조방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 기판을 청정하는 단계 이후에는 상기 진공실의 진공도를 원상태로 복귀시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판에의 경질 피막 제조방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 코팅 층은 3개 이상인 것을 특징으로 하는 기판에의 경질 피막 제조방법.

Images