KR20130088604A - 디엘씨 박막 증착용 이온 플레이팅 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디엘씨(DLC) 박막 증착용 이온 플레이팅 장치에 관한 것으로; 아크 발생원과 애노드 사이에서 아크 방전이 발생하여 아크 발생원의 음극이 용융되어 미세입자 상태로 증발되는 탄소 원자가 아크 발생원에서 애노드로 이동하는 전자에 의해 이온화되어 기판의 표면에 박막을 증착하는 이온 플레이팅 장치에 있어서, 상기 아크발생원은, 음극인 그래파이트(graphite) 타겟에 자장을 인가하여 아크 스폿을 상기 그래파이트 타겟의 표면상에 가둘 수 있도록 상기 그래파이트 타겟에 인접하게 설치되는 측면 영구자석과; 상기 그래파이트 타겟 하면에 구비되어 상기 그래파이트 타겟의 전체 표면에 100가우스[G] 이상의 자장을 가하는 하부 영구자석;으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 그래파이트 타겟에서 쉽게 아크 스팟을 제어할 수 있고 매크로 파티클(macro particle)이 없는 DLC 박막을 기판상에 쉽게 형성할 수 있다. 또한, 그래파이트 타겟의 특성에 맞는 자기장 필드를 쉽게 제어할 수 있고, 대면적의 그래파이트 타겟을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 ta-C 구조를 갖는 DLC 박막의 성막속도의 향상 및 그래파이트 타겟의 이로젼(erosion)도 더욱 개선할 수 있다.

Description

디엘씨 박막 증착용 이온 플레이팅 장치{Ion plating apparatus for depositing DLC thin film}
본 발명은 디엘씨(DLC) 박막 증착용 이온 플레이팅 장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 일반 코팅이 가능한 아크법을 이용해 DLC 박막을 형성할 수 있는 DLC 박막 증착용 이온 플레이팅 장치에 관한 것이다.
일반적으로 PVD(Physical Vapor Deposition)법은 CVD(Chemical Vapor Deposition)법과 달리 피코팅물의 특성을 유지할 수 있고 친환경적인 코팅으로 널리 알려져 있어 그 사용용도가 넓어지고 있다.
이와 같은 PVD 코팅의 대표적인 코팅법으로는 스퍼터링(Magnetron sputtering) 법과 아크이온플레이팅(Arc Ion Plating)법이 있다. 초창기에는 TiN, CrN의 단층막으로부터 3원계 이상의 코팅과, 나노코팅과 같은 다양한 코팅뿐만 아니라 스퍼터링법과 아크법을 혼합해서 사용하는 hybrid 코팅 또한 개발 및 양산 적용의 가능성이 높아지고 있는 실정이다.
특히, 다양한 재료의 조성과 특성제어가 가능한 스퍼터링법 이외에 고에너지용 아크법을 이용하여 조성 및 특성제어를 하고자 하는 개발의 진척이 높아지고 있으며 고체 윤활 코팅(DLC; Diamond Like Carbon)을 적용하는 영역 또한 커지고 있는 실정이다. 이때, DLC 박막의 특성은 SP3(Diamond), SP2(Graphite), a-C:H(비정질탄소), ta-C 등에 따라 그 적용의 예가 다른 특징이 있다.
한편, 대부분의 아크법은 덕트를 이용한 필터드 아크가 일반적인 방법이지만 성막속도가 떨어지는 단점이 있고, 또한 DLC 박막은 밀착력이 떨어져 박리현상이 발생이 쉽기 때문에 Si, Ti, Cr 계열의 원소 첨가를 통한 버퍼층을 이용하는 것이 일반적이다. 이와같이 DLC 박막의 물성을 올리고 잔류 응력의 감소와 내열성 등을 확보하기 위해 스퍼터링과 이온빔을 통한 크리닝 공정을 혼용한 하이브리드시스템(hybrid system) 형태도 널리 연구되고 있다.
한편, 아크법에서는 일반적으로 전이금속을 타겟으로 사용하는데, 전이금속으로 단일 또는 합금 타겟을 구성하는 경우 타겟의 멜팅온도가 높고 전도성이 좋아 아크가 쉽게 형성되고 넓은 영역에서 타겟을 고르게 제어할 수 있다.
그러나, vacuum 아크의 특징을 갖는 카본(carbon) 타겟을 이용할 경우는 타겟에서 아크를 유지하기가 어렵고 대면적에서 제어하기가 어렵기 때문에 작은 사이즈의 타겟을 이용하고 조대입자를 필터링 하는 구조로 이루어지는 것이 일반적이다.
이때, 아크법은 산업용에 적합한 코팅방법이지만, 조대입자로 인한 품질저하의 문제점을 가지며, 면조도를 필요로 하는 코팅에는 적용의 한계가 있고, 블러스팅이나 브러시법 등을 이용한 후처리법을 통해 조도의 문제를 해결할 수는 있지만 제품의 원가가 높아지는 요인이되므로 면조도를 필요로 하는 DLC 박막의 코팅으로는 적합하지 않은 방법으로 알려져 있다.
한편, 최근에는 우주산업 및 자동차 등의 경량화에 따른 난삭재의 절삭이 많아지고 있으며 이러한 가공에 적합한 박막은 DLC로 알려져 있지만 현재의 DLC는 CVD법에 의한 방법 또는 Ion Source에 의한 DLC로 이러한 방법을 통해서는 ta-C 구조를 만들 수 없다.
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 필터드 아크가 아닌 일반 코팅이 가능한 아크법을 이용하여 DLC박막을 형성할 수 있고, 그래파이트 타겟의 특성에 맞는 아크 캐소드(cathode)의 자기장 필드를 구성하여 대면적의 그래파이트 타겟을 제어할 수 있는 DLC 박막 증착용 이온 플레이팅 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 ta-C 구조를 갖는 DLC 박막의 성막속도를 향상시킬 수 있는 DLC 박막 증착용 이온 플레이팅 장치를 제공하는데에도 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
아크 발생원과 애노드 사이에서 아크 방전이 발생하여 아크 발생원의 음극이 용융되어 미세입자 상태로 증발되는 탄소 원자가 아크 발생원에서 애노드로 이동하는 전자에 의해 이온화되어 기판의 표면에 박막을 증착하는 이온 플레이팅 장치에 있어서, 상기 아크발생원은, 음극인 그래파이트(graphite) 타겟에 자장을 인가하여 아크 스폿을 상기 그래파이트 타겟의 표면상에 가둘 수 있도록 상기 그래파이트 타겟에 인접하게 설치되는 측면 영구자석과; 상기 그래파이트 타겟 하면에 구비되어 상기 그래파이트 타겟의 전체 표면에 100가우스[G] 이상의 자장을 가하는 하부 영구자석;으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 DLC 박막 증착용 이온 플레이팅 장치를 제공한다.
이때, 상기 하부 영구자석은 상기 그래파이트 타겟 하면에 1개 이상 구비되며, 상기 그래파이트 타겟의 전체 표면에 200가우스[G]의 자장을 가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 그래파이트 타겟은 원판형상 또는 다각형상으로 이루어지며, 상기 측면 영구자석은 상기 그래파이트 타겟의 형상에 대응되는 환형 또는 다각형 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 하부 영구자석은 원형 또는 다각형의 페라이트자석인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 그래파이트 타겟에서 쉽게 아크 스팟을 제어할 수 있고 매크로 파티클(macro particle)이 없는 DLC 박막을 기판상에 쉽게 형성할 수 있다.
또한, 그래파이트 타겟의 특성에 맞는 자기장 필드를 쉽게 제어할 수 있고, 대면적의 그래파이트 타겟을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 ta-C 구조를 갖는 DLC 박막의 성막속도의 향상 및 그래파이트 타겟의 이로젼(erosion)도 더욱 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 DLC 박막 증착용 이온 플레이팅 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 아크 발생원의 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 그래파이트 타겟을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 그래파이트 타겟의 하부에 구비되는 영구 자석의 다양한 실시 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 그래파이트 타겟을 일정시간 사용 후 상태를 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 DLC 박막 증착용 이온 플레이팅 장치를 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징을 이해할 수 있을 것이다.
도 1 내지 도 5에 의하면, 본 발명에 따른 이온 플레이팅 장치(1)는 캐소드(cathode) 기능을 하는 아크 발생원(100)과 애노드(anode) 사이에서 아크 방전이 발생하여 아크 발생원(100)의 음극재료인 그래파이트(graphite) 타겟(110)이 용융되어 미세입자 상태로 증발되는 탄소 원자가 DLC용 아크 발생원(100)에서 애노드로 이동하는 전자에 의해 이온화되어 기판(10)의 표면에 증착되어 DLC 박막을 형성한다.
일반적으로 아크를 그래파이트(graphite) 타겟(110)에서 방전시키면 탄소 원자의 이온화율은 95% 이상이 되어 대부분의 탄소 이온은 C+의 single 상태로 존재한다. 그러나, 그래파이트(graphite) 타겟(110)과 아크 발생원 몸체(120) 표면에 수직한 방향으로의 음극 스팟(spot)은 랜덤 모션(random motion)을 하기 때문에 아크는 불안정해진다. 이 같은 현상은 아크 전류가 커질수록 증가되는데 이는 아크 전류증가에 따라 음극을 통해 흐르는 전류가 증가하고 이로 인해 음극표면에 자장이 걸리기 때문이다.
이와 같은 현상을 제어하기 위해 음극 스팟(spot)의 운동범위를 음극인 그래파이트(graphite) 타겟(110)의 중심부로 제한해야 할 뿐 아니라 제한된 영역 내에서 소멸되지 않고 안정하게 유지하기 위해서 일반적으로 자장을 이용하게 된다. 이런 자기장(magnetic field)를 이용하여 음극모양과 자장을 조절하게 되면 음극 스팟의 운동속도와 이로젼(erosion) 범위를 조절할 수 있다.
아크 방전의 특징은 이 음극 스팟이라 불리는 음극 표면의 국부적인 영역에서의 아크 발생이며 거대입자는 이 음극 스팟에서의 아크 제트 발생시에 동역학적 상황에서 생성되게 된다.
즉, 아크 방전시 순간적으로 많은 전류가 흐르므로 타겟에서의 급격한 온도 상승이 되고 그래파이트 타겟(110)의 용융과 증발, 폭발이 함께 일어난다. 이때, 방전시의 폭발압력에 의해 용융상태의 liquid 덩어리가 방출되고 이 덩어리는 응고되면서 DLC가 된다. 이를 조대입자(marco-particle)라고 하며 크기는 수십㎛이다.
이러한 조대입자는 전하를 띠지 않는 중성이므로 질량에 비해 아주 약한 음전하로 하전되어 있으므로 자장의 영향을 받지 않고 직선운동을 한다. 자장이 존재하면 로렌쯔의 힘을 받으므로 자장을 적절히 걸어주면 플라즈마 속의 전자를 원하는 방향으로 굴절시킬 수 있다.
이때, 대부분의 C+ 상태로 존재하는 이온은 전자와의 쿨롱힘에 의해 인력을 받으므로 전자를 따라 운동하게 되는 것이다. 이와 같은 원리를 이용하여 조대입자를 제어할 수 있다.
한편, ta-C(수소를 함유하지 않는 다이아몬드 모양의 탄소)의 열적 안정성은 화학적 결합양상과 밀접하게 연관되어 있고 700 ~ 800℃에서 분해가 일어나는 것으로 알려져 있다. 이처럼 ta-C에서는 수소, 질소 등의 불순물을 함유하지 않으므로 C-H, C-N 등의 약한 결합이 존재하지 않아 높은 열적 안정성을 가지는 것으로 판단된다. 이와 같이 높은 열적 안정성은 그 활용도를 절삭공구에 적용성을 높여준다. 이와 같이 경도 및 열적 안정성을 높이고 후막의 박막을 제조하기 위해서는 밀착력의 향상이 필요하며 Si, Ti, Cr 계열의 버퍼층을 사용하여 응력의 relief 및 밀착력을 향상시키는 방향으로 테스트가 진행되고 있으나 아직까지는 미흡한 수준이다. 이와 같이 DLC 박막에 있어 필요로 하는 것은 밀착력의 확보 및 대면적의 유니포미티(uniformity)이다.
전술한 바와 같이 일반 아크에 의한 DLC 박막의 경우 그래파이트 타겟(110) 위에 아크를 고르게 제어하기가 힘들었으며 그래파이트 타겟(110)의 특성상 아크가 한쪽으로 쏠림현상을 확인할 수 있었다.
이에 본 발명에서는 그래파이트 타겟(110)에 적합한 DLC용 아크 캐소드인 아크 발생원(100)을 적용한다. 그 결과 도 5에 도시된 바와 같이 127㎜의 그래파이트 타겟(110)을 사용할 경우 아크의 움직임이 한쪽 방향으로 쏠리는 것을 그래파이트 타겟(110)의 전체면적에 고르게 제어할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 이온 플레이팅 장치(1)는 반응 가스를 유입시킬 수 있는 반응가스 유입구(21) 및 내부를 진공상태로 만들거나 상기 반응가스를 유출시킬 수 있는 반응가스 유출구(22)가 형성된 진공챔버(20)와, 상기 진공챔버(20)의 내부 일측에 하나 또는 복수개 장착되어 아크 증발원인 그래파이트 타겟(110)을 아크 방전에 의해 용융 및 증발시키는 아크 발생원(100)과, DLC 박막을 형성하기 하는 기판(10) 등을 지지하고 가속 전자에 의해 이온화되는 상기 증발된 미세 입자를 끌어당기도록 음(-) 전위의 바이어스 전압이 인가되는 기판 홀더(12) 등을 포함하여 구성된다.
좀더 상세하게 설명하면 상기 진공챔버(20)는 진공 상태의 분위기에서 기판(10)에 이온 플레이팅을 할 수 있도록 소정 공간을 제공하며, 필요한 분압을 형성시킬 수 있도록 반응 가스 혹은 아르곤(Ar) 등과 같은 불활성 기체를 유입시키는 반응가스 유입구(21) 및 내부를 진공상태로 만들거나 상기 유입된 반응 가스 혹은 불활성 가스 등을 유출시키는 반응가스 유출구(22) 등이 형성된다.
한편, 상기 아크 발생원(100)은 기판(10)에 증착 및 도금되는 그래파이트(C) 재질의 타겟(110)을 지지 및 고정하고 상기 그래파이트 타겟(110)에 아크 스팟(112)을 발생시킴에 따라 그래파이트 타겟(110)에서 용융 및 증발이 일어나도록 하기 위한 것이다. 이를 위해, 진공챔버(20)에는 양(+) 전위를 인가하고 그래파이트 타겟(110)에는 음(-) 전위를 인가하여, 진공챔버(20)와 그래파이트 타겟(110) 사이에 아크 방전이 일어날 수 있도록 한다. 즉, 상기 진공챔버(20)는 아크방전에 있어서 애노드(anode)로 작용하며, 그래파이트 타겟(110)은 캐소드(cathode)로서 작용할 수 있도록 한다.
상기 기판 홀더(12)는 기판(10)을 안착시킴은 물론, 상기 그래파이트 타겟(110)으로부터 융해 및 증발된 미세입자들이 이온화되어 상기 기판(20)에 증착 및 도금될 수 있도록 하기 위한 것으로, 당해 기판 홀더(22)에는 상기 진공챔버(20)에 대하여 음(-)전위를 갖는 바이어스 전압이 인가됨에 따라, 가속된 전자에 의해 이온화된 상기 증발미세 입자가 기판(10) 상에 증착될 수 있도록 한다.
이와 같은 이온 플레이팅 장치(1)의 아크 발생원(100)은 고정판(114)과, 몸체(120)와, 타겟 홀더(122)와, 냉각관(124)과, 측면 영구자석(130)과, 및 하부 영구자석(140)을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 고정판(114)은 상기 몸체(120), 타겟 홀더(122), 냉각관(124), 측면 영구자석(130), 하부 영구자석(140) 등이 고정 및 지지될 수 있도록 위한 것으로, 상기 고정판(114)은 진공챔버(20)와 절연된다.
그리고, 상기 타겟 홀더(122)는 상기 몸체(120)의 상측에 설치되어, 아크 증발원인 그래파이트 타겟(110)이 고정 및 지지될 수 있도록 하기 위한 것이다.
또한, 상기 냉각관(124)은 그래파이트 타겟(110)을 제외한 아크 발생원(100)이 과열되는 것을 방지하기 위한 것으로, 냉각관(124)을 통해 흐르는 냉각수에 의해 타겟 홀더(122)가 과열되는 것을 방지함은 물론, 타겟 홀더(122) 이외에 기타 다른 구성 역시 과열되는 것을 방지한다.
그리고, 상기 측면 영구자석(130)은 자기장이 상기 그래파이트 타겟(110)에 수직하게 관통되도록 함에 따라, 아크 스팟(112)이 그래파이트 타겟(110) 내에서 안정적으로 발생되도록 유도함은 물론, 그래파이트 타겟(110)으로부터 증발된 미세입자가 자력선을 따라서 나선 운동함에 따라 당해 증발 미세입자의 활성화를 촉진시키고, 밀착력이 큰 코팅막을 형성할 수 있도록 하기 위한 것이다.
이때, 상기 측면 영구자석(130)은 원판 형상의 그래파이트 타겟(110)을 일 예로 함에 따라 당해 그래파이트 타겟(110) 형상에 대응할 수 있도록 하기 위한 것으로, 그 외에 그래파이트 타겟(110)이 사각형 또는 오각형 등의 다각형상으로 이루어지는 경우 상기 측면 영구자석(130)은 상기 그래파이트 타겟(110)의 테두리를 따라 일정거리 이격되어 감싸도록 대응되는 형상의 다각형 구조로 이루어질 수 있다. 즉 상기 측면 영구자석(130)은 그래파이트 타겟(110)의 형상에 따라 다양한 형태로 변형 실시할 수 있는 것이다.
또한, 상기 하부 영구자석(140)은 상기 그래파이트 타겟(110)의 하면에 구비된다. 상기 하부 영구자석(140)은 아크를 발생하는 그래파이트 타겟(110)이 이로젼(erosion)되는 영역 하면에 1개 이상을 구비하며, 표면자장을 강하게 하여 아크가 어느 한곳에 머무르지 못하게 하고 큐리 온도가 높은 페라이트자석을 이용한다.
이 경우 상기 하부 영구자석(140)은 그 형상은 필요에 따라 원형 또는 다각형의 페라이트자석을 적용할 수 있으며, 다수의 하부 영구자석(140)을 적용하는 경우 일정간격을 유지할 수 있도록 설치한다.
한편, 상기 아크 발생원(100)의 몸체(120)는 무산소동을 이용하고, 그래파이트 타겟(110)을 클램핑(clamping)하는 타겟 홀더(122) 등의 구조물은 스테인레스 304 계열을 사용하고, 전극 간의 거리는 10mm 이내로 하여 저암페어에서도 안정적인 방전이 이루어지도록 하고 플로팅 쉴드(floating shield)(미도시됨)는 3mm 이내의 스테인레스 304 재질을 이용하여 아크 방전이 아크 캐소드 기능을 하는 아크 발생원(100)의 안쪽에까지 이루어지지 않도록 함이 바람직하다.
이와 같이 아크 스팟(112)이 그래파이트 타겟(110) 위에서 생성되었을 때 자장의 세기에 따라서 아크는 빠르게 이동하게 된다.
특히, 그래파이트 타겟(110) 전면에 자장을 100가우스[G] 이상(바람직하게는 200가우스[G]) 고르게 분포하도록 만들어 주면 아크는 그래파이트 타겟(110) 위의 어느 한곳에 머무르지 않고 고르게 분포하도록 하여 매크로 파티클이 없는 박막을 제조할 수 있다.
이와 같은 방법을 이용하면 그래파이트 타겟(110)에서 좀더 쉽게 아크 스팟(112)을 제어할 수 있고 매크로 파티클(macro particle)이 없는 DLC 박막을 쉽게 제조할 수 있다.
또한, 링 형상으로 이루어지는 측면 영구자석(130)을 이용할 경우 그래파이트 타겟(110) 표면의 자장필드를 개별적으로 쉽게 제어할 수 있고, 아크 아래 부분의 자장세기를 100가우스 이상(바람직하게는 200가우스[G])으로 하고 다른 영구자석(측면 영구자석)을 회전시킬 경우 그래파이트 타겟(110)의 이로젼(erosion)을 더욱 개선할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.
1: 이온 플레이팅 장치 10: 기판
12: 기판 홀더 20: 진공챔버
100: 아크 발생원 110: 그래파이트 타겟
114: 고정판 120: 몸체
122: 타겟 홀더 124: 냉각관
130: 측면 영구자석 140: 하부 영구자석

Claims (4)

  1. 아크 발생원과 애노드 사이에서 아크 방전이 발생하여 아크 발생원의 음극이 용융되어 미세입자 상태로 증발되는 탄소 원자가 아크 발생원에서 애노드로 이동하는 전자에 의해 이온화되어 기판의 표면에 박막을 증착하는 이온 플레이팅 장치에 있어서,
    상기 아크발생원은,
    음극인 그래파이트(graphite) 타겟에 자장을 인가하여 아크 스폿을 상기 그래파이트 타겟의 표면상에 가둘 수 있도록 상기 그래파이트 타겟에 인접하게 설치되는 측면 영구자석과;
    상기 그래파이트 타겟 하면에 구비되어 상기 그래파이트 타겟의 전체 표면에 100가우스[G] 이상의 자장을 가하는 하부 영구자석;으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 DLC 박막 증착용 이온 플레이팅 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 영구자석은 상기 그래파이트 타겟 하면에 1개 이상 구비되며, 상기 그래파이트 타겟의 전체 표면에 200가우스[G]의 자장을 가하는 것을 특징으로 하는 DLC 박막 증착용 이온 플레이팅 장치.

  3. 제 1항에 있어서,
    상기 그래파이트 타겟은 원판형상 또는 다각형상으로 이루어지며, 상기 측면 영구자석은 상기 그래파이트 타겟의 형상에 대응되는 환형 또는 다각형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 DLC 박막 증착용 이온 플레이팅 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 영구자석은 원형 또는 다각형의 페라이트자석인 것을 특징으로 하는 DLC 박막 증착용 이온 플레이팅 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115537739A (zh) * 2022-09-28 2022-12-30 广州巴达精密刀具有限公司 一种dlc薄膜沉积用离子板装置

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