KR20140104021A - 저온 아크 이온 플레이팅 코팅 - Google Patents

저온 아크 이온 플레이팅 코팅 Download PDF

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KR20140104021A
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데니스 쿠라포브
마르쿠스 레히트하레르
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오를리콘 트레이딩 아크티엔게젤샤프트, 트뤼프바흐
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Abstract

아크 증발기(arc evaporator)를 사용하여 캐소드의 역할을 하는 고체 물질(solid material)을 증발시키고, 상기 고체 물질로부터 다량의 거시입자(macro-particles) 또는 드로플릿(droplets)이 분출되는 것을 피하기 위해, 자기장을 사용하여 아크 증발 중 고체 물질 표면 상의 캐소드 스팟(cathod spot)의 모션을 가속시키고, 아크 증발로 야기된 음으로 하전된 입자들이 캐소드로부터 애노드로 흐르는, 진공 챔버 내에서 기판을 아크 코팅하거나 또는 아크 이온 플레이팅 코팅을 하기 위한 코팅 방법에 있어서, 상기 캐소드로부터 애노드로의 음으로 하전된 입자들의 모션은 기본적으로 캐소드와 애노드간의 전위 차의 절대값을 추가적으로 증가시키지 않음으로써 코팅 중 기판 온도의 상승이 덜 되게 하는 것을 특징으로 하는 코팅 방법.

Description

저온 아크 이온 플레이팅 코팅{Low temperature arc ion plating coating}
본 발명은 매끄러운 표면 및 우수한 기계적 특성을 나타내는 박막의 제조를 위한 저온 아크 이온 플레이팅(AIP) 증착 방법에 관한 것이다.
AIP 기술은, 진공 조건(약 10-2 내지 10-4 mbar의 작동 압력)에서 캐소드 아크 소스를 증발용 코팅재로 사용하는 것을 특징으로 하는 가장 일반적인 물리 기상 증착(PVD) 코팅 공정 중 하나이다. 캐소드 아크 증착에 의해, 타겟에서 방전된 고출력 전기 아크가 일부 타겟 물질의 증발을 유발하며, 이에 따라 고도로 이온화된 증기가 기판 상에 증착될 수 있도록 제공된다.
용어 IP(ion plating)는, 코팅 공정 중 코팅될 기판을 강대한 양으로(positively) 하전된 이온으로 충격하는 것을 의미하며, 기판에 바이어스 전압을 인가함으로써 구현 가능하다. 이는 기판 상에 고밀도 코팅의 응축을 촉진한다. 또한, 증발 및 이온화된 물질과 반응성 가스 사이의 반응으로부터 유발된 상이한 화합물을 포함하는 코팅의 증착을 위해, 증발 동안에 질소, 아세틸렌 또는 산소와 같은 반응성 가스를 또한 진공 챔버 내로 도입할 수 있다.
AIP-증착 코팅은 일반적으로, 상기에 기 언급한 고밀도 코팅 특성 뿐만 아니라 또한 매우 양호한 기판 접착 특성(코팅과 기판 사이에 강력한 본드)을 나타내며, 특히 물리적, 구조적 및 마찰마모 특성과 관련하여 전체적으로 고품질을 나타낸다. 또한 최근의 AIP-증착 코팅은 고경도 및 매우 양호한 절삭 성능까지도 선보이고 있다.
AIP 기술을 이용한 또 다른 중요한 이점은, 마그네트론 스퍼터링 이온 플레이팅(MSIP) 코팅 증착과 같은 다른 경쟁 PVD 기술에 비해 높은 코팅 증착율을 구현한다는 점이다.
그러나 아크 증발 공정의 한가지 단점은, 캐소드 스팟(cathode spot)이 너무 오랫동안 한 증발 포인트에 머무는 경우, 다량의 거시입자(macro-particles) 또는 드로플릿(droplets)을 분출할 수 있다는 점이다. 이러한 드로플릿은 기판 접착을 저해하며 코팅 전반으로 확장될 수 있으므로 코팅 성능에 좋지 않은 영향을 미친다. 캐소드 스팟을 한 타겟 위치에 너무 오랫동안 머물지 않도록 함으로써 코팅 필름 내의 드로플릿 수량을 감소시킬 수 있다. 이에 따라 아크의 모션을 제어하기 위한 용도로 자기장(magnetic fields)을 사용한다.
AIP 공정은 코팅 공정에서 구현되는 상대적으로 높은 기판 온도로 인해 (300℃ 이상), 플라스틱 물질 및 스테인레스 스틸과 같은 온도에 민감한 기판의 코팅에는 일반적으로 사용되지 않는다.
종래기술에 따르면, 다음과 같은 일부 코팅 공정 파라메터들 또는 코팅 조건들의 수정에 의해 낮은 온도 (300℃ 이하의 온도) 에서의 아크 이온 플레이팅 공정의 수행이 가능하다:
● 코팅 공정 중 타겟의 아크 전류를 감소시키거나 또는 낮은 수량의 타겟을 운용. 이 조치는 코팅 증착율 감소라는 관련되고 피할수 없는 결과를 가져오므로 치명적임.
● 코팅 공정 중 기판에 바이어스 전압을 인가하지 않거나 또는 감소된 바이어스 전압을 인가. 이 조치는 생산된 코팅이 낮은 밀도 및 전반적으로 빈약한 기계적 특성을 나타내므로 역시 치명적임.
● 코팅 공정 중 기판으로부터 지속적으로 열에너지를 제거. 이 경우에 기판으로부터 초과 열에너지 또는 바람직하지 않은 열에너지를 추출하기 위해서는, 코팅 공정 중 냉매와 기판 사이의 열 전달에 필요한 활성 냉각 시스템(active cooling system)을 코팅 머신에 설치해야만 하며, 이 조치는 매우 복잡하고 비용이 많이 들 수 있음.
● 자기장을 사용하지 않거나 또는 약한 자기장을 사용 또는 다소 낮은 자기장 강도를 사용. 이러한 방식으로, 보다 낮은 온도의 코팅 플라즈마를 사용하는 코팅 공정의 수행이 가능하며, 동등한 보다 고온의 코팅 플라즈마보다 낮은 전기적 전위 및 동등한 보다 고온의 코팅 플라즈마와 동일한 전류에 의해, 결과적으로 더 낮은 전력을 갖게 되는 것을 특징으로 함. 이는 코팅 공정 중, 기판으로 열에너지가 전달되는 것을 감소시키는데 도움을 줌. 이 조치는, 캐소드 스팟이 타겟 표면 상에서 느리게 이동하여 결과적으로 각 증발 포인트에서 오랫동안 머물게 함으로써 많은 양의 거시 입자 또는 드로플릿의 분출을 야기하므로 치명적임.
본 발명의 목적은 상기에 언급한 종래기술들의 치명적 약점들을 극복 가능한, 온도에 민감한 기판을 코팅하기 위한 저온 아크 이온 플레이팅 증착 방법을 제공하는 것이다. 특히 상기 저온 아크 이온 플레이팅 증착 방법은 코팅 중 기판 온도가 350℃ 이하에서, 바람직하게는 300℃ 이하에서, 심지어 필요시에는 100℃ 내지 300℃ 또는 그 이하의 온도 사이에서 유지되도록 해야 한다. 또한 본 발명에 따른 저온 아크 이온 플레이팅 코팅 방법에 의해 생산된 박막은, 매끄러운 표면 및 뛰어난 기계적 특성을 나타내거나 또는 보다 높은 기판 온도에서 증착된 동등한 박막과 비교하여 오히려 비슷한 코팅 품질을 나타내야 한다. 또한 본 발명에 따른 코팅 방법에 의해, 보다 높은 기판 온도에서 증착된 동등한 코팅 필름에서 달성된 코팅 증착율과 같은 증착율이 나오도록 해야 한다.
본 발명은 청구항 1에 기술된 아크 이온 플레이팅 코팅 증착 방법에 관한 것이다.
본 발명은 계속하여 다음과 같이 자세히 설명된다:
우선, 본 발명의 보다 나은 이해를 얻기 위해 종래기술에 대해 다시 분석한다.
일반적으로 코팅 공정 중 아크 전류를 증가시키거나 및/또는 더 많은 수의 타겟들을 운용함으로써 높은 코팅 증착율을 얻을 수 있으나, 더 높은 아크 전류는 필연적으로 더 높은 플라즈마 방전 전력에 연관되고 따라서 이미 언급한 바와 같이 더 높은 기판 온도로 이어진다.
마찬가지로 일정한 바이어스 전압의 인가에 의해, 심지어 코팅 경도를 현저히 증가시킨 특정한 코팅 시스템의 경우를 포함하여, 보다 높은 코팅 밀도 및 강화된 기계적 특성들을 얻을 수 있다. 이 때문에, 낮은 기판 온도를 얻기 위해 바이어스 전압 없이 코팅 공정을 수행하거나 또는 바이어스 전압을 감소시켜 코팅 공정을 수행할 경우, 일반적으로 더 높은 온도에서 증착된 동등한 코팅과 비교하여 매우 형편없는 코팅 품질을 초래하게 된다.
게다가, 기판의 냉각을 위한 활성 냉각 시스템의 경우 그에 필수적으로 관련된 복잡성과 고비용으로 인해, 또한 바람직하지 않다.
또한, 감소된 드로플릿 양과 크기를 갖는 아크 증착 코팅 필름의 생산에 있어, 다른 말로 하면 낮은 조도(roughness)를 나타내는 아크 증착 코팅 필름의 생산에 있어, 높은 자기장 강도는 특히 좋다. 그러나 높은 자기장 강도는 공정 가스의 높은 이온화를 초래함으로써, 증가된 플라즈마 방전 전압과 더 높은 플라즈마 방전 전자 온도를 유발하게 된다. 이러한 플라즈마 조건들은 이후에 기판에 더 높은 열에너지를 발생하게 함으로써 결과적으로 더 높은 기판 온도를 초래한다.
이에 따라 상기 언급된 모든 사항들을 고려하여 발명자들은, 특히 아크 전류, 활성 타겟들의 수량, 바이어스 전압 및 자기장 강도와 관련하여, 기 공지된 고온 AIP 코팅 공정에서의 것과 완전히 동일한 코팅 파라메터들을 사용하여 코팅 플라즈마 방전을 생성하면서도, 보다 고온의 코팅 플라즈마 방전에서 생성된 전형적인 것에 비해 현저히 낮은 전위 및 결과적으로 현저히 낮은 전력을 나타내도록 하는 코팅 플라즈마 방전의 창출을 제안한다. 그렇게 함으로써, 이 경우처럼 현저히 낮은 기판 온도(약 100℃ 내지 300℃ 또는 그 이하)에서 생산함에도 불구하고, 높은 기판 온도에서 생산된 코팅 필름과 비교하여 같거나 거의 비슷한 코팅 증착율 및 코팅 품질을 나타내는 코팅 필름의 생산이 가능하다.
발명자들은 근본적으로 높은 자기장 강도를 사용함으로써 야기되는 전위의 추가적인 증가의 방지를 제안한다.
본 발명의 보다 깊은 이해를 위해, 높은 자기장 강도의 사용시에 발생하는 종래기술에 따른 전형적인 사례(도 1 참조)를 다음과 같이 추가로 상세히 분석한다:
아크 증착 공정에 의해 생성된 음으로 하전된 입자들(107)이 타겟(캐소드)으로부터 방출되어 애노드로 향한다. 애노드는 보통 캐소드와 떨어져 위치하며 예컨대 챔버(103)일 수 있다. 높은 자기장 강도(약 40 가우스 내지 500 가우스)의 사용 시, 애노드로 흐르는 음으로 하전된 입자들은 자기장 라인(도 1에 도시되지 않음)에 영향을 받는데, 이들은 캐소드로부터 자기장을 거쳐 애노드(이 경우 챔버 벽, 103)에 도달할 때까지 나선형 모션 궤도(109)로 흐르도록 되어 있다. 이러한 현상은 공정 가스의 이온화와 같은 일부 물리적 상호작용을 가져오고, 이는 캐소드 앞에서 전위의 점프를 유발하여 결과적으로 코팅 플라즈마 방전의 전위 및 전력 상승을 야기하며, 따라서 기판에 열 에너지 증가를 가져와 이후에 기판 온도의 상승을 초래한다.
이러한 모든 사항들을 고려하여 발명자들은, 애노드를 가능한 한 캐소드에 가깝게 두는 단계를 포함하는 본 발명에 따른 코팅 방법에 대한 첫번째의 바람직한 실시예를 제안한다.
본 발명에 따른 코팅 방법의 추가의 바람직한 실시예는, 자기장 라인 또는 적어도 대부분의 자기장 라인이 캐소드에서 애노드로 바로 향하도록 하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 코팅 방법의 또 다른 바람직한 실시예는, 자기장 라인이 기본적으로 애노드 표면과 수직으로 만나거나 또는 애노드 표면과 관련하여 적어도 45도의 각도로 형성하여 만나도록, 캐소드 관련 애노드의 위치 및 형상을 설정할 것을 고려한다 (도 2 참조).
본 발명에 따른 코팅 방법의 추가의 다른 바람직한 실시예는, 자기장 라인(도 2에 도시되어 있으나 번호는 기재되지 않음) 및 애노드 표면과 만나는 전기장 라인(207)이 기본적으로 평행하도록, 캐소드(209) 관련 애노드(201)의 위치 및 형상이 선택된다 (도 2 참조).
상기 언급된 본 발명에 따른 모든 실시예들은, 하전된 입자들이 캐소드에서 기판으로 흐르게 함으로써 나선형 모션이 나타나는 것을 피하는데 도움을 준다.
본 발명에 따라, 아크 전류, 활성 타겟들의 수량, 바이어스 전압 및 자기장 강도와 관련하여, 기 공지된 고온 AIP 코팅 공정에서의 것과 완전히 동일한 코팅 파라메터들을 사용하여 코팅 플라즈마 방전을 생성하면서도, 보다 고온의 코팅 플라즈마 방전에서 생성된 전형적인 것에 비해 현저히 낮은 전위 및 결과적으로 현저히 낮은 전력을 나타내도록 하는 코팅 플라즈마 방전을 창출할 수 있다. 그렇게 함으로써, 이 경우처럼 현저히 낮은 기판 온도(약 100℃ 내지 300℃ 또는 그 이하)에서 생산함에도 불구하고, 높은 기판 온도에서 생산된 코팅 필름과 비교하여 같거나 거의 비슷한 코팅 증착율 및 코팅 품질을 나타내는 코팅 필름의 생산이 가능하다.
본 발명의 보다 자세한 설명을 위해 다음의 일부 예들 및 도면들이 언급될 것이다. 본 발명의 핵심은 이러한 예들 및 도면들에만 한정되지 않는다.
도 1은 종래기술에 따른 아크 코팅 시스템(100)을 도시하며, 부호의 설명은 다음과 같다:
100: 종래기술에 따른 아크 코팅 장치
101: 아크 증발기(arc evaporator)
103: 코팅 챔버
105: 기판 고정도구 및/또는 코팅될 기판
107: 증발 포인트(evaporation point), 증발되고 하전된 입자들이 형성되는 곳
109: 타겟 또는 고체 물질 소스의 증발에 의해 캐소드에서 애노드로의 흐름에 의해 생성된 음으로 하전된 입자들의 궤도
110: 바이어스 전압 공급용 전원공급장치
도 2는 본 발명에 따른 방법을 사용한 코팅용 아크 증발기를 도시하며, 부호의 설명은 다음과 같다:
200: 본 발명에 따른 아크 증발기
203: 본 발명에 따라 위치한 애노드
203: 증발 포인트, 증발되고 하전된 입자들이 형성되는 곳
205: 자기장 형성을 위한 자기장 발생수단
207: 타겟 또는 고체 물질 소스의 증발에 의해 캐소드에서 애노드로의 흐름에 의해 생성된 음으로 하전된 입자들의 궤도
209: 증발될 타겟 또는 고체 물질
도 3은 본 발명에 따른, 실시예 1에 언급된 두번째 사례에 해당하는 아크 코팅 시스템(300)을 도시하며, 부호의 설명은 다음과 같다:
300: 본 발명에 따른 코팅 방법용 코팅 장치
303: 코팅 챔버
305: 기판 고정도구 및/또는 코팅될 기판
307: 증발 포인트, 증발되고 하전된 입자들이 형성되는 곳
310: 바이어스 전압 공급용 전원공급장치
도 4는 본 발명에 따른, 실시예 1에 언급된 세번째 사례에 해당하는 아크 코팅 시스템(400)을 도시하며, 부호의 설명은 다음과 같다:
400: 본 발명에 따른 코팅 방법용 코팅 장치
401: 본 발명에 따른 아크 증발기
403: 코팅 챔버
405: 기판 고정도구 및/또는 코팅될 기판
407: 증발 포인트, 증발되고 하전된 입자들이 형성되는 곳
410: 바이어스 전압 공급용 전원공급장치
실시예 1:
발명자들은 생성된 코팅 플라즈마 방전의 전위 값을 비교하기 위해 세가지 형태의 동일한 코팅 공정을 실시하였다. 다음의 코팅 공정 파라메터들은 세가지 형태의 분석된 코팅 공정들 모두에서 고정되고 일정하게 유지되었다:
- 공정 가스: N2
- 타겟 구성: Ti:Al 50:50 at%
- 타겟의 아크 전류(IARC): 200 A
- 코팅에 의해 활성화된 타겟의 수: 1
- 사용된 자기장의 강도: 약 60 가우스
- 바이어스 전압: 0 V
- 공정 가스 유량 및 바이어스 전압은 다른 공정에서도 동일하였으며, 모든 경우에 있어서 코팅 공정 중 일정하게 유지되었음.
캐소드와 애노드 사이의 전위 차이(UARC)뿐만 아니라 냉각 유체에 전달된 전체 열에너지의 양(QTOTAL)도 측정되었다. 코팅 공정에 도입된 총 전력량은 UARC와 IARC를 곱하여 계산되었다 (PTOTAL = UARC x IARC). 냉각 유체에 전달된 전체 열에너지 양은 타겟 냉각 플레이트(qCATHODE), 챔버 벽 냉각 시스템(qCHAMBER) 및 애노드 냉각 시스템(qANODE)의 냉각 유체(이들 경우에 물)에 분배된 열에너지 양을 합한 결과이다. 본 발명에 따라, 대체적으로 낮은 열에너지(qPLASMA)를 나타내거나 아니면 대체적으로 다소 낮은 전력(PPLASMA)을 나타내는 보다 낮은 온도의 코팅 플라즈마 방전의 생산이 가능함을 확인하였다. 놀랍게도 본 발명에 따른 방법을 사용하여 한 팩터 내의 플라즈마 내 열에너지를 10배 감소시키는 것이 가능하였다 (표 1 참조).
종래기술과 본 발명에 따른 코팅 플라즈마에서의 열에너지 비교를 위한 에너지 밸런스(Energy balance).
에너지 밸런스(Energy balance) / 전력 밸런스(Power balance) 제 1 형태
(애노드= 종래기술에 따른 챔버) 		제 2 형태
(애노드= 본 발명에 따른 애노드)		 제 3 형태
(애노드= 본 발명에 따른 애노드 + 챔버)
UARC [V] 30.21 21.69 21.5
PTOTAL [W] 6042 4338 4300
qCATHODE [W] 2082 1512 1443
qCHAMBER [W] 203 296 291
QTOTAL [W] 3175 4099 4026
qPLASMA
Figure pct00001
PPLASMA 		2867 239 274
세가지 형태의 코팅 공정의 차이점은 단지 캐소드 관련한 애노드의 위치에 있다. 제 1 형태의 분석된 코팅 공정이 도 1에 도시되었으며, 종래기술에서 일반적으로 사용되는 형태에 해당하고, 코팅 챔버(103)가 애노드로 사용된다. 제 2 형태 및 제 3 형태의 분석된 코팅 공정이 각각 도 3 및 도 4에 도시되었으며, 본 발명에 따른 형태에 해당한다. 제 2 형태의 분석된 코팅 공정에 대한 구성이 도 3에 도시되었으며, 애노드는 기판과 매우 근접하고, 자기장 라인 또는 대부분의 자기장 라인(도 3에 도시되지 않음)이 타겟(캐소드)에서 애노드로 바로 향하고 있다. 제 3 형태의 분석된 코팅 공정에 대한 구성이 도 4에 도시되었으며, 이 경우 애노드는 제 2 형태(도 3)와 유사하게 배치되어 있으나, 여기서는 애노드를 추가적으로 코팅 챔버와 전기적으로 연결하여, 애노드 및 코팅 챔버가 둘 다 동 전위에 놓이게 함으로써 결과적으로 애노드가 되도록 한다. 다른 말로 하면, 제 3 형태에서는 애노드 + 코팅 챔버가 함께 애노드로 작용한다.
실시예 2:
동일한 코팅 파라메터들을 사용하되, 첫번째 사례는 종래기술에 따라 배치된 애노드를 사용하고 두번째 사례는 본 발명에 따라 배치된 애노드를 사용하여 두 종류의 AlCrN 코팅 필름을 증착하였다. 두개의 코팅 모두 매우 양호한 코팅 품질 및 기본적으로 동일한 코팅 특성을 나타내었다. 유일한 차이점은 이러한 코팅 공정에서 얻어진 기판 온도뿐이다. 첫번째 사례의 코팅에 의해 얻어진 최대 기판 온도는 약 475℃인 반면, 두번째 사례의 코팅에서 얻어진 최대 기판온도는 210℃였다. 도 5에 도시된 바와 같이, 기판 온도의 엄청난 감소를 확인하였다.
첫번째 및 두번째 사례 모두에서 코팅 중 타겟당 150A의 일정한 아크 전류가 사용되었다.
또한 첫번째 및 두번째 사례 모두에서 바이어스 전압은 동일하다. 본 발명에 따른 코팅 공정의 수행시 이러한 파라메터의 영향을 분석하기 위해, 도 6에 도시된 바와 같이, 코팅 중 두가지의 상이한 바이어스 전압 값이 설정되었다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 코팅 방법을 사용하여 캐소드 전압의 감소를 확인할 수 있었다.
또한 놀랍게도 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법을 사용하여 타겟에서의 바이어스 전압에 대한 현저한 감소가 이루어졌다.
종래기술에 따른 고온(약 350℃ 내지 500℃) 증착 코팅과 동일한 코팅 파라메터들을 사용한 저온(약 100℃ 내지 300℃ 이하) 증착 코팅 간의, 코팅 경도, 영 모듈, 기판 밀착성 및 엑스레이 스펙트럼에 관련된 모든 관련 차이점들을 관찰하였다.
도 9에 종래기술에 따라 약 400℃ 내지 450℃의 기판온도에서 증착된 AlCrN 코팅 (상단) 및 본 발명에 따라 동일한 코팅 파라메터들을 사용하여 증착된 AlCrN 코팅 (하단)에 대한 두가지의 엑스레이 스펙트럼 측정결과를 도시하였다.

Claims (1)

  1. 아크 증발기(arc evaporator)를 사용하여 캐소드의 역할을 하는 고체 물질(solid material)을 증발시키고, 상기 고체 물질로부터 다량의 거시입자(macro-particles) 또는 드로플릿(droplets)이 분출되는 것을 피하기 위해, 자기장을 사용하여 아크 증발 중 고체 물질 표면 상의 캐소드 스팟(cathod spot)의 모션을 가속시키고, 아크 증발로 야기된 음으로 하전된 입자들이 캐소드로부터 애노드로 흐르는, 진공 챔버 내에서 기판을 아크 코팅하거나 또는 아크 이온 플레이팅 코팅을 하기 위한 코팅 방법에 있어서,
    상기 캐소드로부터 애노드로의 음으로 하전된 입자들의 모션은 기본적으로 캐소드와 애노드간의 전위 차의 절대값을 추가적으로 증가시키지 않음으로써 코팅 중 기판 온도의 상승이 덜 되게 하는 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
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