KR20130128733A - 이온주입 및 박막 증착 장치 및 이를 이용한 이온주입 및 박막 증착 방법 - Google Patents

이온주입 및 박막 증착 장치 및 이를 이용한 이온주입 및 박막 증착 방법 Download PDF

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문선우
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Abstract

본 발명은 이온주입 및 박막 증착에 관한 것으로, 진공조 내부에 스퍼터링 타겟을 장착한 마그네트론 증착원과 시료를 장착할 수 있는 전도성 시료 장착대가 장착되어 진공조 내부에서 외부 환경에의 노출 없이, 소재 위에 이온주입공정과 박막 증착 공정을 동시에, 또는 순차적으로 수행할 수 있는 플라즈마 이온주입 및 박막 증착장치 및 방법이 제공된다.

Description

이온주입 및 박막 증착 장치 및 이를 이용한 이온주입 및 박막 증착 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ION-IMPLANTATION AND SPUTTERING DEPOSITION}
본 발명은 소재 또는 부품의 표면에 이온주입 또는 박막 증착에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기계적 특성과 내식성이 우수한 세라믹 박막을 증착함으로써 소재 또는 부품이 변형, 파손, 부식되는 것을 방지하는 이온주입 및 박막 증착에 관한 것이다.
일반적으로 플라즈마 장비에 사용되는 금속 부품의 기계적 특성 향상과 부식 방지를 위하여, 표면을 양극산화(anodizing)처리한 알루미늄(Anodized aluminum)이나 내식성이 우수한 스테인리스 스틸(stainless steel)등의 소재가 주로 사용되고 있다.
현재 플라즈마 장비의 부품에 사용되는 소재로서는 전기전도도, 열전도도가 우수하며, 값이 저렴하고 가벼운 알루미늄 합금 소재가 주로 사용되고 있는데, 이러한 알루미늄 합금 소재는 불소(F)나 염소(Cl) 이온과 반응하여 부식되기 쉬우므로, 불소나 염소를 포함한 가스를 사용할 경우 부식 방지를 위한 표면처리가 필요하다. 현재 가장 많이 사용되고 있는 표면 처리 방법은, 국내 공개특허 제2000-0062191호에 기재된 알루미늄 합금의 표면을 양극산화(Anodizing)시켜 산화알루미늄 후막을 형성하는 방법이 있는데, 이는 활성화가스에 의한 부식을 완벽히 차단할 수 없다는 단점이 있으며, 이렇게 형성된 산화알루미늄 피막은 다공질이므로, 이러한 기공을 메우기 위하여 봉공처리(sealing treatment)를 거치지만 기공을 완전히 제거하기 어려운 단점이 있다.
다른 표면 처리 방법으로는 알루미늄을 질소와 반응시켜 표면에 질화알루미늄(AlN)층을 형성하거나 질화알루미늄 박막을 증착하는 방법이 있는데, 국내 등록특허 제10-0029139호에서는 알루미늄 소재 표면에 질소를 이온 주입하여 질화알루미늄 층을 형성시키거나, 국내 공개특허 제2000-0062191호에서는 알루미늄 표면을 질소 플라즈마에 노출시킨 후 온도를 증가시켜 질소와 반응시킴으로써 표면에 질화알루미늄층을 형성시키는 방법이 있다. 그러나, 이런 표면 처리 방식으로는 표면 전체를 모두 질화시키는 것이 어렵기 때문에 질화알루미늄층 내부에 부분적으로 알루미늄 상이 잔재 하게 된다.
이러한 부분적인 알루미늄 상들은 전체적인 기계적 특성이나 부식 특성을 저하시키므로 콜드 스프레이법이나 혹은 물리기상증착법 등으로 질화알루미늄 박막을 증착함으로서 내식성을 개선하고자 하였으나, 단순 증착법으로 제조된 질화알루미늄층 역시 기공을 통하여 부식이 진행 될 수 있다는 단점이 있으며, 장시간의 사용에 의하여 박막이 박리될 경우 박리된 부분을 통하여 부식이 발생하는 문제가 있다. 또한 플라즈마 장비의 경우 박막의 증착이나 소재의 표면 처리를 위하여 고온에서 사용하는 경우가 많으므로, 세라믹 소재와 소재의 열팽창계수의 차이에 의하여 박막과 모재 사이에 응력이 발생하여 박막의 박리가 발생하는 문제가 발생 하게 된다. 또한, 이온빔을 사용할 경우 비교적 긴 공정시간으로 인하여 양산화가 곤란할 수 있으며, 3차원적인 부품에 이온 혼합공정을 도입할 경우 부품을 회전시켜 주어야 한다는 단점이 있다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명은 박막 증착 전에 이온주입을 하거나 박막의 증착과 동시에 이온주입 또는 이온빔 보조 증착(IBAD) 방법을 이용하여 세라믹 박막을 증착하는 방법 및 그 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 플라즈마 이온주입 및 세라믹 박막의 증착 장치에 있어서, 내부를 진공 상태로 유지하는 진공조; 상기 진공조 내에 장착되어 RF 전력을 방사하여 인입된 가스를 플라즈마화 하는 RF 안테나; 상기 RF 안테나에 연결되어 상기 RF 안테나에 RF 전력을 인가하는 RF 전원장치; 상기 진공조의 내부에 위치하고, 박막 증착을 위한 스퍼터링 타겟이 장착되는 하나 이상의 마그네트론 증착원; 상기 마그네트론 증착원에 전력을 인가하여 상기 스퍼터링 타겟으로부터 박막 증착을 위한 플라즈마를 발생시키는 전력공급부; 상기 마그네트론 증착원과 대향하는 위치에 설치되어 시료가 장착되는 전도성 시료 장착대; 상기 전도성 시료 장착대에 음의 고전압 펄스를 인가하여 상기 진공조 내부에서 발생된 상기 플라즈마 이온이 상기 시료 표면에 주입되거나, 상기 플라즈마 이온이 상기 스퍼터링 타겟으로부터 스퍼터링되는 상기 진공조 내부에 인입된 가스와 만나 상기 시료에 박막이 증착되도록 하는 고전압 펄스전원장치; 상기 진공조 외부에 설치되어 플라즈마 발생에 이용되는 가스의 유량을 조절하는 가스유량 조절장치; 및 상기 진공조의 진공을 유지하기 위한 진공펌프; 를 포함하는 이온주입 및 박막 증착장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예는 상기 진공조의 둘레에는 다수의 영구자석이 형성되어 있고, 상기 진공조의 외측에는 엑스 선(X-ray) 차폐를 위한 납 케이싱이 형성되며, 상기 전력공급부는 상기 마그네트론 증착원에 장착된 스퍼터링 타겟에 직류, 교류 또는 펄스 직류 전력을 인가하는 것을 특징으로 하며, 상기 전도성 시료 장착대는, 작동주파수: 10 Hz ~ 1 kHz, 펄스폭: 1 μsec ~ 200 μsec, 음(-)의 펄스 고전압: -1 KV ~ -100 KV의 범위를 갖는 음(-)의 고전압 펄스가 인가되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 진공조 내의 전도성 시료 장착대에 시료를 준비하는 단계; 상기 진공조 내부를 진공 상태로 유지하는 단계; 상기 진공조 내부에 가스를 주입하고 상기 주입된 가스에 의해 플라즈마를 발생시키는 단계; 상기 전도성 시료 장착대에 음(-)의 고전압 펄스를 인가하여 플라즈마 이온을 가속시켜 상기 시료의 표면에 이온을 주입하는 단계; 마그네트론 증착원에 전력을 인가하여 상기 마그네트론 증착원에 부착된 스퍼터링 타겟을 스퍼터링하여 상기 시료에 세라믹 박막을 증착하되, 세라믹 박막 증착 초기에 전도성 시료 장착대에 음(-)의 고전압 펄스를 인가하여 상기 진공조 내부에 형성된 플라즈마 이온을 가속시켜 증착과 동시에 이온을 시료의 표면에 주입하는 동적 이온 혼합(dynamic ion mixing, DIM) 공정을 수행하는 단계; 및 세라믹 박막 증착시에 상기 시료 장착대에 음(-)의 고전압 펄스를 인가하여 플라즈마 이온을 가속시켜 이온주입하여 박막의 증착을 돕는 이온빔 보조 증착 단계; 를 포함하되, 상기 이온 주입 단계, 동적 이온 혼합 단계 및 이온빔 보조 증착 단계 중 적어도 하나의 단계가 단독 또는 순차적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 이온주입 및 박막 증착방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 상기 이온주입 또는 박막 증착시, 진공조 내부의 압력은 0.5 mTorr ~ 5 mTorr의 범위로 유지하는 것을 특징으로 하고, 상기 진공조 내부에 주입되는 가스는, 스퍼터링을 위해 사용되는 비활성화가스 또는 세라믹 박막 증착을 위해 사용되는 활성화가스 단독 또는 상기 비활성화가스와 활성화가스의 혼합가스인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 비활성화가스는 아르곤(Ar), 네온(Ne) 중 어느 하나 이상일 수 있고, 활성화가스는 질소(N2), 탄소(C), 산소(O2) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 이온 주입시 상기 전도성 시료 장착대에 인가되는 음의 고전압 펄스는, 작동주파수: 10 Hz ~ 1 kHz, 펄스폭: 1 μsec ~ 200 μsec, 음(-)의 펄스 고전압: -1 KV ~ -100 KV의 범위를 가지며, 이온빔 보조 증착 단계에서 상기 전도성 시료 장착대에 인가되는 음(-)의 고전압 펄스는, 작동주파수: 10 Hz ~ 1 kHz, 펄스폭: 1 μsec ~ 200 μsec, 음의 펄스 고전압: -10 KV ~ -100 KV의 범위를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 박막 증착시 마그네트론 증착원에 인가되는 전력은, 전력 밀도가 1 W/cm2 ~ 50 W/cm2의 범위 내인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서 진공조 내부를 진공 상태로 유지한 이후에는 상기 진공조 내부에 아르곤 가스를 인입하여 아르곤 플라즈마를 발생시킨 후 상기 전도성 시료 장착대에 음의 고전압 펄스, 직류 또는 교류 전력을 인가하여 시료의 표면을 스퍼터링 세정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예의 타겟은 알루미늄(Aluminum), 타이타늄(Titamium), 니오븀(Niobium), 지르코늄(Zirconium) 또는 실리콘(Silicon) 중 어느 하나 이상일 수 있으며, 시료 표면에 증착되는 세라믹 박막을 두 가지 이상의 스퍼터링 타겟 원소를 이용하여 혼합 스퍼터링(co-sputtering)하여 3종 이상의 원소가 포함된 세라믹 박막을 증착할 수 있다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서 시료는 스테인리스 스틸(stainless steel), 알루미늄(Aluminum), 알루미늄 합금(Aluminum alloy), 타이타늄(Titanium), 타이타늄 합금 (Titanium alloy), 또는 인코넬 합금(inconel alloy) 중 어느 하나일 수 있고, 증착되는 박막은 다층(multi layer)으로 형성될 수 있으며, 다층으로 형성된 박막의 층과 층 사이 또는 다층 박막과 계면 사이에 박막의 증착과 이온주입을 동시에 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 마그네트론 스퍼터링 공정을 통해 세라믹 박막을 소재 위에 증착함으로써 세라믹 박막의 우수한 기계적 특성과 내식성을 통하여 소재의 특성을 개선함과 동시에 이온주입 공정, 동적 이온 혼합 공정(DIM), 그리고 이온빔 보조 증착(IBAD) 공정을 보다 효율적으로 수행함으로써 증착된 세라믹 박막의 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이온주입 및 박막 증착 장치의 구성도이다.
도 2는 질화알루미늄(AlN) 박막을 증착한 시편의 XPS 깊이 방향 조성분포 결과를 도시한 그래프이다.
도 3은 다양한 알루미늄 시편의 부식 후 표면 형상을 나타낸 도면이다.
도 4 및 5는 본 발명의 실시예에 따른 질화알루미늄이 증착된 시편의 부식 후 표면 형상을 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 발명에 따른 실시예는 내식성이 뛰어나며 경도가 높은 세라믹 박막을 증착함으로써 소재의 기계적 손상과 부식을 방지함과 동시에, 박막의 증착 전 질소(Nitrogen), 탄소(Carbon) 산소(Oxygen) 등의 이온을 소재 표면에 주입함으로써 소재 표면에 부분적인 세라믹 상을 형성시켜 기계적 특성과 내식성을 향상시키고, 세라믹 박막의 증착 초기에 박막의 증착과 이온주입을 동시에 수행함으로써 소재와 세라믹 소재 사이에 점진적인 조성의 변화를 갖는 넓은 계면을 형성시켜 소재와 세라믹 박막 사이의 접합력을 증가시킴으로써 기계적 특성의 향상을 꾀함과 동시에 계면에서 발생하는 부식을 방지하여 부품 소재의 수명을 늘릴 수 있는 세라믹 박막 증착에 관한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 실시예에서는 양질의 박막의 증착을 위하여 이온주입과 박막의 증착을 동시에 수행하는 이온빔 보조 증착(IBAD) 공정을 도입함으로써 우수한 기계적 특성과 내식성을 갖는 세라믹 박막을 증착할 수 있도록 하였다.
이하, 본 발명에 따른 이온주입 및 박막 증착 장치에 대하여 첨부 도면을 통하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이온주입 및 박막 증착을 위한 장치의 구성도인데, 상기 장치는 플라즈마 이온주입과 세라믹 박막 증착을 위한 공간을 제공하여 이온주입 또는 박막 증착시에는 내부를 진공 상태로 유지하는 진공조(10), 상기 진공조(10) 내부 상측에 부착되어 상기 진공조(10) 내부에 인입된 가스를 플라즈마화 하는 RF 안테나(20), 상기 RF 안테나(20)에 연결되어 상기 RF 안테나(20)에 RF 전력을 인가하는 RF 전원장치(30), 상기 진공조(10)의 내부 상측에 위치하고, 세라믹 박막을 증착하기 위한 플라즈마를 발생시키는 타겟(50)이 장착되는 마그네트론 증착원(55), 상기 마그네트론 증착원(55)에 직류, 교류 또는 펄스직류 전력을 인가하는 전력공급부(40), 증착시키고자 하는 시료(70)가 장착되고, 상기 마그네트론 증착원(55)과 대향하는 위치에 설치되며 상기 진공조(10)의 내의 하부에 위치하는 전도성 시료 장착대(80), 상기 진공조(10)의 외측에 연결되어 플라즈마 발생에 이용되는 가스의 유량을 조절하기 위한 가스유량 조절장치(90), 상기 전도성 시료 장착대(80)에 음(-)의 고전압 펄스(95)를 인가하여 이온주입을 수행하도록 하는 고전압 펄스 전원장치(96) 및 상기 진공조(10) 내의 공기를 외부로 배출시켜 진공조(10) 내부를 고진공으로 유지하기 위한 진공펌프(98)를 포함한다. 상기 가스유량 조절장치(90)에는 가스밸브(91)가 연결되어 있어 가스 저장장치(94)에 저장되어 있던 가스를 상기 가스유량 조절장치(90)에 의해 조절되는 유량만큼 진공조(10) 내로 인입시킨다. 또한, 상기 진공펌프(98)에는 진공밸브(97)가 연결되어 있어 배기되는 공기의 양을 조절하도록 되어 있다. 도 1에서 상기 전력공급부(40)는 직류 전원장치(40)로 도시되어 있다.
이때, 상기 진공조(10)는 전기적으로 접지(92)되어 있으며, 상기 진공조(10) 벽면에는 다수의 영구자석(15)이 둘러싸고 있으며, 상기 진공조(10) 내부에서 발생되는 X선을 차단하기 위한 케이싱(17)인 납 차폐막(Lead shield)이 형성되어 있다. 상기 다수의 영구 자석(15)은 상기 진공조(10)에 내에 존재하는 플라즈마가 시료(70)의 3차원 면에 대하여 균일하게 분포될 수 있도록 자기장을 형성하도록 하기 위함이다.
본 발명에 따른 실시예에서는 이온주입을 원활하게 하기 위하여 시료 장착대(80)에 전력을 공급하기 위하여 상기 시료 장착대(80)를 전도성의 물질로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 이온주입 및 세라믹 박막 증착의 원리는 다음과 같다.
먼저, 이온의 주입 원리를 설명한다.
장착된 시료(70) 또는 박막의 증착을 위해 사용하는 마그네트론 증착원(55)의 표면 산화물을 제거하기 위해, 진공조(10) 내부에 아르곤 가스를 인입하여 아르곤 플라즈마를 발생시킨 후, 전도성 시료 장착대(80)에 음(-)의 고전압 펄스(95), 직류 또는 교류 전력을 인가하여 시료(70)의 표면을 스퍼터링 세정한다.
진공조(10) 내부에 위치한 전도성 시료 장착대(80)에 시료(70)를 장착한 후, 진공펌프(98)를 이용하여 상기 진공조(10) 내부의 진공도를 고진공 영역까지 배기한다. 이후, 플라즈마를 발생시키기 위하여 불활성화가스인 아르곤(Ar)과, 활성화가스인 질소(N2), 산소(O2), 탄소(C) 등의 가스를 가스유량 조절장치(90)를 통하여 인입시켜 진공조(10) 내부의 압력을 0.5 mTorr ~ 5 mTorr의 압력으로 조절한다. 만약, 상기 진공조(10) 내부의 압력이 0.5 mTorr 이하라면 플라즈마의 발생이 어려운 반면, 5 mTorr 보다 높은 압력에서는 이온주입시 가속되는 이온과 주위의 가스 입자들과 빈번한 충돌로 인하여 가속되는 이온의 에너지 손실이 심하게 되기 때문이다. 사용 가스 인입 후 진공조(10) 내부의 압력이 안정화 되면, 진공조(10) 내부의 RF 안테나(20)에 RF 파워를 인가하여 인입된 가스의 플라즈마를 형성시킨다. 그리고, 전도성 시료 장착대(80)에 고전압 펄스 전원장치(96)를 이용하여 음(-)의 고전압 펄스(95)를 인가함으로써 플라즈마 이온이 주입된다.
본 발명에 따른 실시예에서는 상기 이온 주입을 단독으로 시행할 수 있을 뿐만 아니라, 시료(70)의 부식성을 향상시키기 위하여 시료(70)에 세라믹 박막을 증착시킬 수 있는데, 이하에서는 세라믹 박막 증착에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예에서는 시료(70)에 세라믹 박막을 증착하는 경우, 세라믹 박막 증착 단독으로 할 수도 있으나 보다 부식성 및 기계적 특성을 향상시키기 위하여 이온 주입 공정 후에 박막을 증착시키는 것이 보다 바람직하다.
박막 증착을 위하여 이온 주입 공정 후 상기 진공조(10)를 다시 진공 상태로 유지한 다음, 진공조(10) 내부의 마그네트론 증착원(55)에 장착된 스퍼터링 타겟(50)의 스퍼터링을 위한 비활성화가스와 타겟(50)에서 스퍼터링 되는 원소와 결합시켜 세라믹 박막을 형성시키기 위한 활성화가스를 혼합하여 주입한다. 이때 사용되는 가스는 세라믹 박막을 형성하기 위한 활성화가스는 단독 또는 활성화가스와 비활성화가스의 혼합으로 사용하는데, 활성화가스 단독으로 사용하는 경우에는 박막의 증착속도가 낮아지므로 빠른 증착속도를 위하여 스퍼터링을 위한 비활성화가스를 혼합하여 사용하는 편이 더욱 효율적이다.
사용가스 인입 후 진공조(10) 내부의 압력이 안정화 되면 진공조(10) 상단에 부착된 마그네트론 증착원(55)에 장착된 스퍼터링 타겟(50)에 직류, 교류, 또는 펄스 직류 전력을 전력공급부(40)를 통해 인가하여, 박막의 증착을 위한 플라즈마를 발생시킨다. 발생된 플라즈마 이온(60)은 진공조(10) 내부에 인입된 가스가 만나 진공조(10) 내부의 전도성 시료 장착대(80) 위에 위치한 시료(70) 위에 세라믹 박막이 증착되게 된다. 이때 전도성 시료 장착대(80) 위에 위치한 시료(70)에 음(-)의 고전압을 인가하게 되면 박막의 증착과 동시에 가속된 이온이 박막의 증착을 돕는 이온빔 보조 증착(ion beam assisted deposition, IBAD) 공정이 수행된다.
또한, 증착 초기에 전도성 시료 장착대(80)에 음(-)의 고전압 펄스(95)를 인가함으로써, 박막의 증착과 동시에 이온주입을 하게 되면, 세라믹 박막과 소재 사이에 점진적인 조성의 변화를 갖는 넓은 계면을 형성시켜 세라믹 박막의 접합력을 증가시켜줄 수 있으며, 계면에서 형성되는 부식을 방지할 수 있는 동적 이온 혼합 공정(DIM)을 수행 할 수 있게 된다. 상기의 동적 이온 혼합 공정 이후에는 단순한 박막 증착을 수행하여 세라믹 박막을 증착시킬 수도 있다.
상기 세라믹 박막은 다층(multi-layer)의 복합물로 형성할 수도 있는데, 상기 다층으로 형성된 박막과 박막 사이 또는 다층 박막과 시료(70) 사이의 접착력과 부식 특성을 개선하기 위하여 다층 박막의 층과 층 사이 또는 박막과 계면 사이의 박막의 증착 및 이온주입을 동시에 수행할 수도 있다.
상기의 이온주입 공정 및 박막 증착 공정에서 마그네트론 증착원(55)에 장착된 스퍼터링 타겟(50)의 스퍼터링을 위해 사용되는 비활성화가스는 아르곤(Ar), 네온(Ne)등을 주로 사용하게 되며, 이온주입 공정에서 시료(70)의 표면에 주입하여 세라믹 상을 형성시키기 위해 사용되거나 세라믹 박막의 증착을 위하여 사용되는 활성화가스는 질소(N2), 탄소(C), 산소(O2) 등의 가스를 사용할 수 있다.
이는 상기와 같은 가스가 플라즈마 상태로 되어 고체 내부로 이온주입 되었을 때, 내부의 원소와 만나 세라믹 상을 형성하기 쉽고, 증착 공정시 사용되는 증착원(55)으로부터 스퍼터링 되는 금속 원소와 만나 세라믹 박막을 형성하기 쉽기 때문이다. 상기의 플라즈마 이온주입 공정에서 전도성 시료 장착대(80)에 인가되는 고전압 펄스(95)의 작동주파수는 10 Hz ~ 1 kHz, 펄스폭은 1 μsec ~ 200 μsec, 음(-)의 고전압은 -1 KV ~ -100 KV의 값을 이용한다. 그 이유에 대해 살펴보면, 작동주파수가 10 Hz 보다 낮은 경우에는 플라즈마 이온주입 공정시간이 너무 많이 소요되므로 경제적인 가치가 감소하며, 1 kHz 보다 높은 경우에는 시료(70)의 온도상승으로 인하여 시료(70)가 녹을 수 있기 때문이다. 또한, 펄스폭의 경우 1 μsec 이하의 짧은 펄스폭으로는 플라즈마 이온주입이 효과적으로 이루어지지 않으며, 200 μsec이상의 긴 펄스폭으로 작동하면 전도성 시료 장착대(80)에 인가되는 음(-)의 고전압에 의한 플라즈마 쉬스(Sheath)가 팽창하여 진공조(10)에 닿으면서 플라즈마가 꺼질 우려가 있으며, 시료 장착대(80)에 고전압이 인가되는 시간이 길어짐에 따라 시료 장착대(80)에 장착된 시편에서 아크가 발생할 가능성이 높기 때문이다. 또한, 음의 고전압이 -1 KV 보다 경우에는 시료(70)의 표면에 이온이 주입되는 깊이가 너무 얕게 되어 효율적인 이온주입이 어렵게 되며, -100 KV 보다 높은 경우에는 고전압 펄스 전원장치(96)의 제작이 현실적으로 곤란하기 때문이다. 따라서 본 발명에 따른 실시예에서는 이온 주입을 위한 전도성 시료 장착대(80)에 인가되는 음의 고전압 펄스(95)의 작동주파수, 펄스폭 및 음의 고전압은 상기 범위내로 한정한다.
본 발명에 따른 실시예에서의 박막 증착 공정시 스퍼터링 타겟(50)에 인가되는 전력 밀도는 1 W/cm2 ~ 50 W/cm2의 값을 갖도록 하는데, 만약, 전력 밀도가 1 W/cm2 보다 낮은 경우에는 마그네트론 스퍼터링 타겟(50)으로부터 스퍼터링 되는 속도가 매우 느려 공정 시간이 많이 소요되게 되어 경제적인 가치가 감소하며, 50 W/cm2 이상의 값을 갖는 마그네트론 증착원(55)의 제작이 곤란하기 때문에 본 발명에 따른 실시예에서의 박막 증착 공정시 스퍼터링 타겟(50)에 인가되는 전력 밀도는 상기 범위로 한정한다.
또한, 세라믹 박막의 증착시 사용되는 이온빔 보조 증착공정(IBAD, Ion beam assisted deposition)에서 전도성 시료 장착대(80)에 인가되는 고전압 펄스(95)의 작동주파수, 펄스폭 및 음(-)의 고전압은 각각 10 Hz ~ 1 kHz, 1 μsec ~ 200 μsec, -10 V ~ -100 KV의 값을 이용한다. 만약, 작동주파수는 앞서 설명한 이온주입 공정에서와 동일한 이유로 상기 범위로 한정되고, 고전압 펄스(95)폭은 1 μsec 보다 짧다면 효과적인 이온빔 보조 증착 공정이 이루어지지 않으며, 200 μsec 보다 크다면 상기 이온주입 공정에서 설명한 바와 같이 플라즈마가 꺼질 우려가 있으며, 아크가 발생 할 수 있다. 또한, 음의 고전압이 -10 V 보다 낮은 경우에는 가속된 이온의 에너지가 너무 낮으므로 효율적인 이온빔 보조 증착 (IBAD) 공정이 어렵게 되며, -100 KV 보다 높은 경우에는 상기 이온주입 공정에서 설명한 바와 같이, 높은 에너지로 가속된 이온에 의한 박막의 식각(Etching)으로 인하여 증착되는 박막이 다시 스퍼터링 될 수 있으므로 효율적인 박막의 증착이 어렵게 될 수 있으며, 고전압 펄스 전원장치(96)의 제작이 현실적으로 곤란하기 때문에 본 발명에 따른 실시예에서의 이온빔 보조 증착 공정시 음의 고전압의 작동주파수, 펄스폭 및 음의 고전압을 상기 범위로 제한한다.
본 발명에 따른 실시예에서의 플라즈마 이온주입과 박막의 증착 공정의 특징은 다음과 같다.
진공조(10) 내부를 높은 수준의 진공 상태로 유지한 후 진공조(10) 내부에 이온주입을 위한 활성화가스를 주입한다. 그 후, 진공조(10) 상단에 부착된 안테나(20)에 RF 전력를 인가하여 활성화가스를 이온화시킨 후, 시료(70)가 장착된 전도성 시료 장착대(80)에 음(-)의 고전압 펄스(95)를 인가하면 활성화가스 이온이 가속되어 전도성 시료 장착대(80) 위의 시료(70) 표면에 주입됨에 따라 효과적인 이온 주입 공정이 가능하게 된다. 따라서 3차원적인 시료(70)에 대하여 균일하게 이온주입 할 수 있으며, 전체적으로 빠른 주입 속도에 의해 높은 기술 경쟁력을 확보할 수 있다.
또한, 이온주입 공정과 박막 증착공정을 하나의 진공조(10) 내부에서 연속적으로, 또는 동시에 수행할 수 있으므로, 외부에서 인입되는 불순물이나 가스들에 의한 오염을 방지할 수 있으며, 증착 초기에 박막의 증착공정과 이온주입 공정을 동시에 진행 하는 동적 이온 혼합(DIM) 공정이 가능하게 되어, 박막과 모재 사이의 계면에서 조성이 점진적으로 변화되는 넓은 계면을 형성시켜, 세라믹 박막과 모재 사이의 접합력을 증진시키는 효과를 가져올 수 있다. 또한, 박막의 증착 공정에서 가속된 이온을 증착되는 박막의 표면에 이온주입 함으로써 이온빔 보조 증착(Ion beam assisted deposition) 공정을 수행할 수 있으므로 상대적으로 기계적 특성과 내식성이 우수한 박막을 증착할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시예에서는 둘 이상의 스퍼터링 타겟(50)에 공급되는 파워를 조절함으로써 박막의 조성 및 조밀도(면적 밀도)를 다양하게 조절할 수 있는 혼합 스퍼터링(co-sputtering)을 수행할 수 있다. 즉, 둘 이상의 마그네트론 증착원(55)에 전력을 공급하는 직류 전원장치(40)의 파워를 조절하게 되면 스퍼터링되는 비율이 조절되고 이에 따라 형성되는 세라믹 박막 내의 물질의 함량이 달라지게 되어 박막의 조성을 다양하게 변화시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시예에서는 이온주입 공정, 동적 이온 혼합 공정 및 이온빔 보조 증착 공정을 단독으로 수행하거나 순차적으로 둘 이상의 공정이 수행될 수 있다. 예를 들면, 이온주입 공정을 수행한 후 동적 이온 혼합 공정을 수행하거나 이온빔 보조 증착 공정을 수행할 수도 있고, 이온주입 공정 수행 후 동적 이온 혼합 공정 및 이온빔 보조 증착 공정을 모두 수행할 수도 있다. 또한, 이온빔 보조 증착 공정만을 단독으로 실시할 수도 있다.
본 발명에 따른 실시예에서의 시료(70)로는 스테인리스 스틸(stainless steel), 알루미늄(Aluminum), 알루미늄 합금(Aluminum alloy), 타이타늄(Titanium), 타이타늄 합금 (Titanium alloy), 또는 인코넬 합금(inconel alloy) 등이 사용될 수 있으며, 스퍼터링을 위한 타겟(50)으로는 질소, 탄소, 산소 등의 원소와 결합하여 우수한 기계적 특성과 내식성을 갖는 세라믹 박막을 형성 할 수 있는 알루미늄(Aluminum), 타이타늄(Titanium), 니오븀(Niobium), 실리콘(Silicon), 지르코늄(Zirconium) 등의 물질이 사용될 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
<실시예 1>
본 발명에 따른 실시예 1에서는 이온주입과 세라믹 박막의 증착 실험을 다음과 같이 세 가지의 공정으로 나누어 실시하였다.
첫째, 질화알루미늄(AlN)과 같은 세라믹 박막 증착 전에 소재 표면에 질소(N2)를 이온주입한 후 질화알루미늄 박막을 단순 증착하는 공정이며, 둘째, 세라믹 박막을 증착함과 동시에 이온주입을 수행하여 소재와 세라믹 박막 사이에 점진적인 조성의 변화를 갖는 혼합된 계면(Intermixed layer)를 형성시키는 동적 이온 혼합(DIM) 공정을 도입한 후 질화알루미늄 박막을 단순 증착하는 공정, 셋째, 세라믹 박막의 증착과 이온주입을 동시에 수행하는 이온빔 보조 증착(IBAD) 방식을 이용하여 질화알루미늄 박막을 증착하는 공정이다.
이때, 마그네트론 증착원(55)에 장착된 스퍼터링 타겟(50)으로는 직경 76.2 mm, 두께 63.5 mm의 크기와 99.95%이상의 순도를 갖는 알루미늄(Al) 스퍼터링 타겟(50)을 사용하였다.
세라믹 박막을 증착하기 위한 기판용 시료(70)는 알루미늄(Al) 소재를 직경 30mm, 두께 8 mm 크기의 디스크(Disk) 형태로 가공하여 1 μm 수준까지 표면 연마한 후, 아세톤과 알코올이 혼합된 용액에 담궈 초음파 장비를 이용하여 세척한 후, 상기 진공조(10) 내부의 전도성 시료 장착대(80)에 장착하였다.
상기 시료(70)를 진공조(10) 내부의 전도성 시료 장착대(80) 위에 장착시킨 후, 진공조(10)를 5X10-6Torr의 진공도로 배기한 후, 질소가스를 인입하여 진공도를 0.8 mTorr 로 유지 시켰다. 이후, 진공조(10) 상단에 부착된 RF 안테나(20)에 200 Watt의 RF 파워를 인가하여 유도 결합 플라즈마를 발생시키고, 전도성 시료 장착대(80)에 -20 KV의 고전압 펄스(95)를 인가하여, 유도된 질소 플라즈마 내부의 질소 이온들을 시료(70) 표면에 주입하였다. 이때 음(-)의 고전압 펄스(95)의 주파수는 200 Hz, 펄스폭은 40 μsec, 주입된 이온의 양(Ion dose)는 1.3 X 1017 개/cm2 이다.
상기 이온주입 공정이 끝난 후 가스의 유입을 중단하고 진공조(10)의 진공도를 다시 5 X 10-6Torr 까지 배기한 후, 진공조(10) 내부에 질소(N2)와 아르곤(Ar) 가스를 혼합하여 인입한 후 진공도를 1.8 mTorr로 유지시켰다. 이때 아르곤(Ar) 가스는 마그네트론 증착원(55)에 장착된 알루미늄(Al) 타겟(50)을 스퍼터링하기 위하여 인입하는 비활성화가스며, 질소(N2) 가스는 스퍼터링된 알루미늄(Al) 원소와 반응시켜 질화알루미늄 박막을 형성시키기 위하여 인입하는 활성화가스이다. 상기의 이온주입 공정과 동일하게, RF 안테나(20)에 200 Watt의 RF 파워를 인가하여 인입된 가스의 유도 결합 플라즈마를 발생시킨 후, 마그네트론 증착원(55)에 480 W(약 10 W/cm2)의 직류 전력을 인가하여, 마그네트론 증착원(55)에 의한 알루미늄(Al) 플라즈마를 형성시켜 질화알루미늄(AlN) 박막의 증착을 수행함과 동시에 전도성 시료 장착대(80)에 30 KV의 음의 고전압 펄스(95)를 인가하여 아르곤과 질소의 이온주입을 5 분 동안 진행하였다. 이때 인가된 음(-)의 고전압의 주파수는 100 Hz이며, 펄스폭은 40 μsec 이다. 이러한 동적 이온 혼합(DIM) 공정을 통하여 형성된 세라믹 박막과 모재 사이에는 점진적인 조성의 변화를 갖는 계면이 형성 되게 되는데 이는 도 2의 X선 광전자 분석(XPS : X-ray photoelectron spectroscopy)을 이용한 깊이 방향 조성분포 분석을 통하여 확인 할 수 있다. 상기 동적 이온 혼합(DIM) 공정 후 세라믹 박막의 증착 공정을 수행하였는데, 세라믹 박막의 증착공정은 이온빔 보조 증착법(IBAD)을 이용하여 증착하였다. 이러한 질화알루미늄 박막의 증착 공정은 동적 이온 혼합(DIM) 공정과 연속적인 공정으로 진행하였으며, 인입되는 가스, RF 안테나(20)에 인가되는 전력, 그리고 마그네트론 증착원(55)에 인가되는 직류 전력의 변화 없이, 동적 이온 혼합(DIM) 공정에서 전도성 시료 장착대(80)에 인가했던 음(-)의 고전압 펄스(95)의 전압을 -10 KV로 변화 시킨 후 실험을 진행 하였다. 이때 사용된 음(-)의 고전압의 주파수와 펄스폭은 동적 이온 혼합(DIM) 공정과 동일하게 각각 100 Hz, 40 μsec로 고정하였다. 또한 증착되는 박막의 두께는 모든 시편에 대하여 동일하게 약 300 nm 의 두께로 제작하였다.
도 2의 (a)는 알루미늄(Al) 시료 위에 단순 증착공정을 통하여 제조된 질화알루미늄(AlN: aluminum nitride) 박막에 대한 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 깊이 방향 조성분포 분석 결과를 나타낸 그래프를 도시한 것이고, 도 2의 (b)는 본 발명 실시예에 따른 박막의 증착 전에 알루미늄(Al) 소재 위에 질소를 이온주입 한 후, 박막의 증착초기에 동적 이온 혼합(DIM : Dynamic ion mixing) 공정을 도입하여 혼합된 계면을 형성 시킨 다음, 이온빔 도움 증착법(IBAD : ion beam assisted deposition)을 이용하여 질화알루미늄(AlN) 박막을 증착한 시편에 대한 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 깊이 방향 조성분포 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 동적 이온 혼합(DIM)공정을 통하여 생성된 시편의 계면은 동적 이온 혼합 공정을 사용하지 않는 단순 증착 공정을 통하여 형성된 시편의 계면보다 훨씬 넓은 계면을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 1>
상기의 방법으로 제작된 질화알루미늄(AlN) 박막이 증착된 알루미늄 시료를 이용하여 아래와 같은 방법으로 부식 실험을 진행하였다. 플라즈마 장비에서 사용되는 부품용 소재의 부식 문제를 발생 시키는 불소(F) 이온이 첨가된 불산(HF : Hydrofluoric acid)을 부식 용액으로 사용하였으며, 증류수를 이용하여 불산 용액을 0.5%의 농도로 희석하여 사용하였다. 증착된 질화알루미늄 박막의 두께가 얇으므로 부식 시험시간은 5 분으로 제한하였다.
도 3은 (a) 순수 알루미늄 시편, (b) 알루미늄 소재 표면에 질소(N2)를 이온 주입하여 표면에 질화알루미늄(AlN)상을 형성시킨 시편, (c) 알루미늄(Al) 소재 위에 질화알루미늄(AlN) 박막을 단순 증착한 시편을 0.5 % 불산(HF) 용액에 담궈 5분 동안 부식 시험을 수행한 후의 형상과 그 시편들을 광학 현미경(Optical microscopy)을 이용하여 분석한 시료의 표면 형상이다.
도 3에 나타난 바와 같이 순수 알루미늄(Pure Aluminum) 시편(a)의 경우, 부식 시험 후 프로파일로미터(profilometer)로 측정한 결과 약 300 μm 의 깊이로 부식이 진행되었으며, 광학 현미경으로 분석한 결과 부식된 부분과 부식되지 않은 부분의 차이가 뚜렷한 것을 알 수 있다. 알루미늄 소재 표면에 질소를 이온 주입하여 표면에 질화알루미늄(AlN)층을 형성시킨 시편(b)의 경우에도 부식 시험 후 부식의 흔적이 뚜렷한 것을 그림에서 확인할 수 있으며, 광학 현미경의 분석 결과 역시 부식의 흔적이 뚜렷히 나타나는 것을 알 수 있다. 알루미늄 소재 위에 질화알루미늄 박막을 증착한 시편(c)의 경우, 기공(Pin-hole)을 통한 부식으로 인하여 질화알루미늄(AlN) 박막의 박리가 상당히 진행되기는 하였으나 다른 두 시편에 비하여 상대적으로 부식이 적게 발생한 것을 확인할 수 있었다. 상기의 실험을 통하여 질화알루미늄 박막의 증착이 알루미늄 소재의 내식성을 개선하는데 어느 정도의 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 그러나, 단순 증착 방식만으로는 기공(Pin-hole)을 통하여 발생하는 부식을 완전히 억제할 수 없음을 알 수 있었다.
<실험예 2>
실험예 2에서는 박막의 증착과 동시에 실시예 1에서 설명한 세 가지 공정을 도입하여 소재의 기계적 특성과 내식성을 향상 시키고자 하는 실험을 진행 하였다.
도 4는 상기의 실시예 1에서 제시한 세 가지 공정, 즉 이온주입 공정, 동적 이온 혼합(DIM) 공정, 이온빔 보조 증착(IBAD) 공정이 내식성의 향상에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 각각의 공정을 따로 사용하여 세 가지의 시편을 제작 한 후, 부식 실험을 진행 한 결과이다.
도 4의 (a)는 도 3의 (c)와 동일한 시료로 이온주입공정이나 동적 이온 혼합(DIM)공정, 그리고 이온빔 보조 증착(IBAD) 공정을 사용하지 않고 단순히 질화알루미늄 박막을 증착하여 만든 시편을 0.5%의 불산 용액에서 5 분간 부식 실험한 시편의 사진과 현미경 이미지이다.
도 4의 (b)는 상기 실시예 1에서 설명한 조건으로 표면에 질소(N2)를 이온주입한 후 동적 이온 혼합(DIM)공정이나 이온빔 보조 증착(IBAD)공정 없이, 단순 증착법을 통해 질화알루미늄(AlN)박막을 증착한 시편에 대한 부식 시험 결과이다.
도 4의 (c)는 상기 실시예 1에서 설명한 조건으로 이온주입 공정을 거치지 않고, 동적 이온 혼합(DIM) 공정만을 도입 한 후, 이온빔 보조 증착(IBAD)공정이 아닌 단순 증착법으로 질화알루미늄(AlN) 박막을 증착한 시편에 대한 부식 시험의 결과이며, 도 4의 (d)는 이온주입 공정이나 동적 이온 혼합(DIM) 공정 없이, 이온빔 보조 증착(IBAD) 공정만을 사용하여 질화알루미늄 박막을 증착한 시편에 대한 부식 시험 결과이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 이온주입 공정, 동적 이온 혼합(DIM) 공정, 그리고 이온빔 보조 증착(IBAD) 공정을 각각 따로 도입한 시편의 경우, 단순 증착공정 만을 수행한 경우에 비하여 상당한 내식성의 개선이 있는 것을 확인할 수 있었다. 단순 증착공정만을 수행한 경우(a)에는 박막 내부의 기공을 통하여 부식이 진행되므로 부식 시험 후에 박막의 박리 현상이 심한 것을 확인할 수 있지만, 이온주입(b)이나 동적 이온 혼합(DIM) 공정(c), 그리고 이온빔 보조 증착(IBAD) 공정(d)을 도입한 경우 상대적으로 박막의 박리 정도가 적은 것을 확인할 수 있었다.
이는 이온주입 공정을 도입한 경우에는 박막의 증착 전에 질소 이온주입을 통하여 알루미늄 시편의 표면에 질화알루미늄 층을 형성한 후 질화알루미늄 박막을 증착하였기 때문에 상대적으로 부식되는 정도가 줄어든 것이며, 동적 이온 혼합(DIM) 공정을 도입한 시편의 경우 계면에서 발생하는 부식의 전파를 동적 이온 혼합 공정을 통하여 방지함으로써 상대적으로 내식성이 향상된 것임을 알 수 있다. 또한, 이온빔 보조 증착(IBAD) 공정을 도입한 경우에는 증착된 질화알루미늄 박막이 기공(Pin-hole)이 적고 치밀하게 증착되었으므로, 기공에 의한 부식이 상당히 억제된 것을 알 수 있다.
<실험예 3>
실험예 3에서는 상기 실시예 1에서 사용한 세 가지 공정인 이온 주입 공정, 동적 이온 혼합 공정 및 이온빔 보조 증착 공정을 동시에 사용하여 실험을 진행하였다.
도 5의 (a)는 도 3의 (c) 또는 도 4의 (a)와 동일한 시료로 알루미늄 디스크 위에 질화알루미늄 박막을 단순 증착한 시편을 0.5% 불산 용액에 5분 동안 담궈 부식 실험한 시편의 사진과 현미경 이미지이다. 도 5의 (b)는 상기의 세 가지 공정을 모두 사용하여 제작한 시편의 부식 시험 결과이다. 즉, 폴리싱된 알루미늄 디스크(Polished Al disk)에 질화알루미늄 박막을 증착하기 전에 질소 이온주입 공정을 수행하였으며, 증착 초기에 박막의 증착과 동시에 이온주입을 수행하는 동적 이온 혼합(DIM)공정을 통하여 넓어진 계면을 형성하였다. 그 후, 이온빔 보조 증착(IBAD) 공정을 통하여 질화알루미늄 박막을 증착하였으며, 내식성의 변화를 파악하기 위하여 0.5 % 불산 용액에 5 분 동안 담궈 부식 실험을 진행하였다.
도 5의 (a)와 (b)를 비교하면, 단순 증착 공정을 통하여 질화알루미늄 박막을 증착한 경우 상기의 실시예 1에서도 설명한 바와 같이 박막 내부의 기공(Pin-hole)을 통하여 부식이 진행되므로 증착된 질화알루미늄 박막이 상당히 박리된 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 세 가지 공정을 모두 도입한 경우 박막의 박리가 거의 일어나지 않은 것을 확인 할 수 있었으며, 현미경으로 관찰 하였을 때에도 부식 실험을 한 부분과 그렇지 않은 부분 사이에 아무런 차이가 없는 것을 확인 할 수 있다.
상기 실험예 1 내지 3의 실험 결과를 통하여 이온 주입 공정, 동적 이온 혼합 공정 및 이온빔 보조 증착 공정을 각각 단독으로 사용한 경우 내식성의 증가가 있는 것을 확인할 수 있었으며, 상기 세 가지 공정을 동시에 사용한 경우에는 탁월한 내식성 표면을 형성함을 확인할 수 있었다.
이상의 본 발명에 따른 실시예에서는 세라믹 박막의 증착을 위한 증착원으로써 마그네트론 증착원에 스퍼터링 타겟을 장착하여 세라믹 박막을 증착함과 동시에 시료에 고전압 펄스를 인가함으로써, 박막의 증착 전 또는 박막의 증착 공정 중에 효율적인 이온주입이 가능하게 한다.
박막의 증착 전에 이온주입 공정을 수행하여, 소재의 표면에 부분적으로 제 2의 세라믹 상을 형성시킴으로써 소재의 기계적 특성과 내식성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 또한 박막의 증착과 동시에 이온주입을 수행하여 점진적인 조성을 갖는 넓은 계면을 형성시킴으로써 박막과 소재 사이에 접합력을 증가시켜 상온 또는 고온에서 박막의 박리 현상을 줄여줌과 동시에 계면에서 부식이 발생하는 것을 막아주는 효과를 갖게 한다. 또한 이온빔 보조 증착 방식을 이용하여 세라믹 박막을 증착함으로써 박막 내부의 기공(pin-hole)을 줄여 기계적 특성과 내식성이 더욱 향상 되는 효과를 얻을 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (19)

  1. 플라즈마 이온주입 및 세라믹 박막의 증착 장치에 있어서,
    내부를 진공 상태로 유지하는 진공조;
    상기 진공조 내에 장착되어 RF 전력을 방사하여 인입된 가스를 플라즈마화 하는 RF 안테나;
    상기 RF 안테나에 연결되어 상기 RF 안테나에 RF 전력을 인가하는 RF 전원장치;
    상기 진공조의 내부에 위치하고, 박막 증착을 위한 스퍼터링 타겟이 장착되는 하나 이상의 마그네트론 증착원;
    상기 마그네트론 증착원에 전력을 인가하여 상기 스퍼터링 타겟으로부터 박막 증착을 위한 플라즈마를 발생시키는 전력공급부;
    상기 마그네트론 증착원과 대향하는 위치에 설치되어 시료가 장착되는 전도성 시료 장착대;
    상기 전도성 시료 장착대에 음의 고전압 펄스를 인가하여 상기 진공조 내부에서 발생된 상기 플라즈마 이온이 상기 시료 표면에 주입되거나, 상기 플라즈마 이온이 상기 스퍼터링 타겟으로부터 스퍼터링되는 상기 진공조 내부에 인입된 가스와 만나 상기 시료에 박막이 증착되도록 하는 고전압 펄스전원장치;
    상기 진공조 외부에 설치되어 플라즈마 발생에 이용되는 가스의 유량을 조절하는 가스유량 조절장치; 및
    상기 진공조의 진공을 유지하기 위한 진공펌프;
    를 포함하는 이온주입 및 박막 증착장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진공조의 둘레에는 다수의 영구자석이 형성된 것을 특징으로 하는 이온주입 및 박막 증착장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 진공조의 외측에는 엑스 선(X-ray) 차폐를 위한 납 케이싱이 형성되는 것을 특징으로 하는 이온주입 및 박막 증착장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력공급부는 상기 마그네트론 증착원에 장착된 스퍼터링 타겟에 직류, 교류 또는 펄스 직류 전력을 인가하는 것을 특징으로 하는 이온주입 및 박막 증착장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 시료 장착대는,
    작동주파수: 10 Hz ~ 1 kHz, 펄스폭: 1 μsec ~ 200 μsec, 음(-)의 펄스 고전압: -1 KV ~ -100 KV의 범위를 갖는 음(-)의 고전압 펄스가 인가되는 것을 특징으로 하는 이온주입 및 박막 증착장치.
  6. 진공조 내의 전도성 시료 장착대에 시료를 준비하는 단계;
    상기 진공조 내부를 진공 상태로 유지하는 단계;
    상기 진공조 내부에 가스를 주입하고 상기 주입된 가스에 의해 플라즈마를 발생시키는 단계;
    상기 전도성 시료 장착대에 음(-)의 고전압 펄스를 인가하여 플라즈마 이온을 가속시켜 상기 시료의 표면에 이온을 주입하는 단계;
    마그네트론 증착원에 전력을 인가하여 상기 마그네트론 증착원에 부착된 스퍼터링 타겟을 스퍼터링하여 상기 시료에 세라믹 박막을 증착하되, 세라믹 박막 증착 초기에 전도성 시료 장착대에 음(-)의 고전압 펄스를 인가하여 상기 진공조 내부에 형성된 플라즈마 이온을 가속시켜 증착과 동시에 이온을 시료의 표면에 주입하는 동적 이온 혼합(dynamic ion mixing, DIM) 공정을 수행하는 단계; 및
    세라믹 박막 증착시에 상기 시료 장착대에 음(-)의 고전압 펄스를 인가하여 플라즈마 이온을 가속시켜 이온주입하여 박막의 증착을 돕는 이온빔 보조 증착 단계;
    를 포함하되, 상기 이온 주입 단계, 동적 이온 혼합 단계 및 이온빔 보조 증착 단계 중 적어도 하나의 단계가 단독 또는 순차적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 이온주입 및 박막 증착방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 이온주입 또는 박막 증착시, 진공조 내부의 압력은 0.5 mTorr ~ 5 mTorr의 범위로 유지하는 것을 특징으로 하는 이온주입 및 박막 증착방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 진공조 내부에 주입되는 가스는,
    스퍼터링을 위해 사용되는 비활성화가스 또는 세라믹 박막 증착을 위해 사용되는 활성화가스 단독 또는 상기 비활성화가스와 활성화가스의 혼합가스인 것을 특징으로 하는 이온주입 및 박막 증착방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 비활성화가스는 아르곤(Ar), 네온(Ne) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이온주입 및 박막 증착방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 활성화가스는 질소(N2), 탄소(C), 산소(O2) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이온주입 및 박막 증착방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 이온 주입시 상기 전도성 시료 장착대에 인가되는 음의 고전압 펄스는,
    작동주파수: 10 Hz ~ 1 kHz, 펄스폭: 1 μsec ~ 200 μsec, 음(-)의 펄스 고전압: -1 KV ~ -100 KV의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 이온주입 및 박막 증착방법.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 이온빔 보조 증착 단계에서 상기 전도성 시료 장착대에 인가되는 음(-)의 고전압 펄스는,
    작동주파수: 10 Hz ~ 1 kHz, 펄스폭: 1 μsec ~ 200 μsec, 음의 펄스 고전압: -10 KV ~ -100 KV의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 이온주입 및 박막 증착방법.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 박막 증착시 마그네트론 증착원에 인가되는 전력은,
    전력 밀도가 1 W/cm2 ~ 50 W/cm2의 범위 내인 것을 특징으로 하는 이온주입 및 박막 증착방법.
  14. 제6항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 진공조 내부를 진공 상태로 유지하는 단계 이후,
    상기 진공조 내부에 아르곤 가스를 인입하여 아르곤 플라즈마를 발생시킨 후 상기 전도성 시료 장착대에 음의 고전압 펄스, 직류 또는 교류 전력을 인가하여 시료의 표면을 스퍼터링 세정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온주입 및 박막 증착방법.
  15. 제6항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 타겟은 알루미늄(Aluminum), 타이타늄(Titamium), 니오븀(Niobium), 지르코늄(Zirconium) 또는 실리콘(Silicon) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이온주입 및 박막 증착방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 시료 표면에 증착되는 세라믹 박막을 두 가지 이상의 스퍼터링 타겟 원소를 이용하여 혼합 스퍼터링(co-sputtering)하여 3종 이상의 원소가 포함된 세라믹 박막을 증착하는 것을 특징으로 하는 이온주입 및 박막 증착방법.
  17. 제6항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 시료는 스테인리스 스틸(stainless steel), 알루미늄(Aluminum), 알루미늄 합금(Aluminum alloy), 타이타늄(Titanium), 타이타늄 합금 (Titanium alloy), 또는 인코넬 합금(inconel alloy) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이온주입 및 박막 증착방법.
  18. 제6항에 있어서,
    상기 증착되는 박막은 다층(multi layer)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이온주입 및 박막 증착방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 다층으로 형성된 박막의 층과 층 사이 또는 다층 박막과 계면 사이에 박막의 증착과 이온주입을 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 이온주입 및 박막 증착방법.
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