KR20190122601A - 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 장치 및 방법 - Google Patents

자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

개시되는 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 장치는, 증착 공간으로 제공되는 코팅 챔버; 상기 코팅 챔버의 일 측에 구비되며, 상기 코팅 챔버 내부로 카본 이온을 공급하는 자장 여과 아크 소스 유닛; 상기 코팅 챔버의 타 측에 구비되며, 상기 코팅 챔버 내부로 상기 카본 이온과 독립적으로 도핑 원자를 공급하는 이온빔 스퍼터 유닛; 및 상기 코팅 챔버의 내부에 구비되며, 상기 카본 이온 및 상기 도핑 원자가 증착되는 피코팅체가 배치되는 홀더;를 포함한다.

Description

자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 장치 및 방법{Equipment and Method for Doped Coating Using Filtered Cathodic Vacuum Arc}
본 발명(Disclsoure)은, 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 수소함유를 배제하여 고경도 Ta-C(tetrahedarally-bonded hydrogen-free coatings)을 구현하며, 도핑물질 및 농도의 조절이 자유로운 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
여기서는, 본 발명에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
다이아몬드상 카본(Diamomd-like carbon, 이하 DLC라 한다)은 높은 경도, 내마모성, 윤활성, 표면조도 등의 뛰어난 기계적 특성과 전기절연성, 화학적 안정성 및 높은 광학적 투과성을 갖고 있어 산업적으로 다양하게 사용되고 있다.
현재까지 대부분의 탄소계 박막은 반응기체로서 탄화수소계를 사용하는 RF-CVD 및 이온빔 증착 공정이 주를 이루고 있고, 아르곤과 아세틸렌 가스를 이용하여 DLC를 코팅하는 장치가 국내 공개특허 제10-2011-0115291호에 개시되어 있다.
그런데, 이러한 DLC 증착 방식은 증착시 수소의 영향에 의한 박막의 물성변화로, 최근에는 고체상의 카본을 이용한 하여 마그네트론 스퍼터링, 진공 아크법 등 다양한 방법이 보고되고 있다.
한편, 진공 아크법의 경우 진공 아크 증착에 의해 발생된 이온은 큰 고유 에너지를 가짐으로써 고밀도화가 가능하고, 경도가 다이아몬드의 60 내지 80%에 이르는 박막을 형성할 수 있는 장점이 있다.
다만, 아크 발생시 이온화된 입자 이외에도 비이온화된 거대 입자 중 일부가 코팅막으로 들어가 막질을 저하시키는 문제점이 있다.
이를 개선하기 위해 이온화된 입자가 이송되는 이송관 외부에서 이송관 내부로 자장을 인가하여 비이온화된 입자를 여과시키는 자장여과 아크 플라즈마를 이용하는 방식이 이용되고 있다.
한편, DLC 코팅에는 여러 가지 특성을 부여하거나 응력을 제어하기 위하여 DLC 박막에 다양한 물질을 도핑하는 기술이 개시된 바 있다.
특히 Si-DLC는 내열성이 우수하여 유리렌즈 성형 몰드에 적용이 기대되고 있다.
그러나 기존 Si이 도핑된 DLC코팅은 주로 PECVD(Plasma-enhanced chemical vapor deposition) 방식을 사용하였는데, 자장 여과 아크 소스 방식에 비하여 기계적인 특성이 낮으며, 수소가 함유된 박막이 얻어지는 문제가 있다.
한편, 자장 여과 아크 소스 방식에 의하더라도, 스퍼터 소스와 아크 소스를 같이 사용하는 경우에 스퍼터 소스를 가동하는 압력에서는 아크 소스의 이온에너지가 낮아져서 DLC 경도가 낮아지는 문제가 있다.
이와 달리, 증발 증착 방식을 사용하여 도핑할 경우 도핑물질이 제한되며, 도핑 농도 제어가 어려운 문제가 있다.
1. 한국 공개특허공보 제10-2011-0115291호
본 발명(Discloure)은, 수소함유를 배제하여 고경도 Ta-C(tetrahedarally-bonded hydrogen-free coatings)을 구현하며, 도핑물질 및 농도의 조절이 자유로운 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 장치 및 방법의 제공을 일 목적으로 한다.
여기서는, 본 발명의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 발명의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니 된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
상기한 과제의 해결을 위해, 본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 장치는, 증착 공간으로 제공되는 코팅 챔버; 상기 코팅 챔버의 일 측에 구비되며, 상기 코팅 챔버 내부로 카본 이온을 공급하는 자장 여과 아크 소스 유닛; 상기 코팅 챔버의 타 측에 구비되며, 상기 코팅 챔버 내부로 상기 카본 이온과 독립적으로 도핑 원자를 공급하는 이온빔 스퍼터 유닛; 및 상기 코팅 챔버의 내부에 구비되며, 상기 카본 이온 및 상기 도핑 원자가 증착되는 피코팅체가 배치되는 홀더;를 포함한다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 장치에 있어서, 상기 홀더는, 원통형으로 구비되고, 상기 피코팅체가 상기 자장 여과 아크 소스 유닛 및 상기 이온빔 스퍼터 유닛를 순차로 향하도록 축 회전 가능하게 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 장치에 있어서, 상기 이온빔 스퍼터 유닛은, 비활성 가스 이온을 조사하는 이온빔 소스; 및 상기 이온빔 소스에서 조사되는 상기 비활성 가스 이온에 의해 도핑 원자를 발생시키는 도핑물질타켓;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 장치에 있어서, 상기 이온빔 소스의 에너지와 전류를 조절하여 도핑 원자의 농도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 장치에 있어서, 상기 자장 여과 아크 소스 유닛은, 장착된 흑연소재의 타켓에 스파크를 발생시켜 플라즈마화된 상기 카본 이온을 생성하는 카본 아크 소스; 상기 카본 아크 소스로부터 생성된 상기 카본 이온을 상기 피코팅체로 이송하는 이송관; 및 상기 이송관을 통해 이송되는 물질 중 비이온화된 입자를 자력에 의해 내벽측에 집속되게 하는 자장 필터;를 포함한다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 방법은, 증착 공간으로 제공되는 코팅 챔버의 내부에 구비되며, 원통형으로 구비되고, 그 길이방향을 축으로 회전하도록 구비되는 홀더에 피코팅체를 배치하는 단계(S10); 상기 코팅 챔버의 일 측에 구비되며, 상기 코팅 챔버 내부로 카본 이온을 공급하는 자장 여과 아크 소스 유닛을 가동하여, 상기 카본 이온을 상기 코팅 챔버의 내부로 공급하는 단계(S20); 상기 코팅 챔버의 타 측에 구비되며, 상기 코팅 챔버 내부로 상기 카본 이온과 독립적으로 도핑 원자를 공급하는 이온빔 스퍼터 유닛을 가동하여, 상기 도핑 원자를 상기 코팅 챔버의 내부로 공급하는 단계(S30); 및 상기 피코팅체가 상기 자장 여과 아크 소스 유닛 및 상기 이온빔 스퍼터 유닛를 순차로 향하도록 상기 홀더를 회전시켜 상기 도핑 원자와 상기 탄소 이온이 균일하게 증착시키는 단계(S40);을 포함한다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 방법에 있어서, 상기 코팅 챔버 내의 압력은 10-5 ~ 10-6 Torr인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 방법에 있어서, 상기 이온빔 스퍼터 유닛은, 비활성 가스 이온을 조사하는 이온빔 소스; 및 상기 이온빔 소스에서 조사되는 상기 비활성 가스 이온에 의해 도핑 원자를 발생시키는 도핑물질타켓;을 포함하며, 상기 이온빔 소스의 에너지와 전류를 조절하여 도핑 원자의 농도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 자장 여과 아크 소스와 이온빔 스퍼터를 동시에 적용함으로써, 수소함유를 배제하여 고경도 Ta-C(tetrahedarally-bonded hydrogen-free coatings)을 구현할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이온빔 스퍼터의 이온빔 에너지와 전류를 조절하여 도핑농도의 정확한 제어 및 도핑물질의 선택이 자유롭다.
본 발명에 따르면, 홀더를 이용하여 피코팅체를 회전하여 도핑 원자와 탄소 이온을 순차로 거치므로 도핑 농도의 균일도 및 코팅막 두께의 균일도를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 장치를 보인 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 방법을 보인 도면.
이하, 본 발명에 따른 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 장치 및 방법을 구현한 실시형태를 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
다만, 본 발명의 사상은 이하에서 설명되는 실시형태에 의해 그 실시 가능 형태가 제한된다고 할 수는 없고, 본 발명의 사상을 이해하는 통상의 기술자는 본 개시와 동일한 기술적 사상의 범위 내에 포함되는 다양한 실시 형태를 치환 또는 변경의 방법으로 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 기술적 사상에 포함됨을 밝힌다.
또한, 이하에서 사용되는 용어는 설명의 편의를 위하여 선택한 것이므로, 본 발명의 기술적 내용을 파악하는 데 있어서, 사전적 의미에 제한되지 않고 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미로 적절히 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 장치를 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시형태에 따른 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 장치(100)는, 코팅 챔버(110), 자장 여과 아크 소스 유닛(120), 이온빔 스퍼터 유닛(130), 피코팅체(140)가 배치되는 홀더(150)를 포함한다.
코팅 챔버(110)는, 증착 공간으로 제공되는 구성이다.
코팅 챔버(110)의 내부 압력은, 10-5 ~ 10-6 Torr로 마련되는 것이 바람직하다.
본 실시형태에서, 코팅 챔버(110)에는 자장 여과 아크 소스 유닛(120)과 이온빔 스퍼터 유닛(130)이 각각 구비되는데, 이들이 서로 영향을 주고 받지 않도록 구성되는 점에서 특징이 있다. 이에 의해 도핑된 Ta-C 코팅이 가능해진다.
자장 여과 아크 소스 유닛(120)은, 코팅 챔버(110)의 일 측에 구비되며, 코팅 챔버(110) 내부로 카본 이온을 공급하는 구성이다.
이온빔 스퍼터 유닛(130)은, 코팅 챔버(110)의 타 측에 구비되며, 코팅 챔버(110) 내부로 카본 이온과 독립적으로 도핑 원자를 공급하는 구성이다.
한편, 홀더(150)는 코팅 챔버(110)의 내부에 구비되며, 카본 이온 및 도핑 원자가 증착되는 피코팅체(140)(기판)가 배치되는 구성이다.
홀더(150)는, 원통형으로 구비되고, 피코팅체(140)가 자장 여과 아크 소스 유닛(120) 및 이온빔 스퍼터 유닛(130)를 순차로 향하도록 축 회전 가능하게 구비된다.
본 실시형태에서, 자장 여과 아크 소스 유닛(120)은, 카본 아크 소스(121)와 이송관(122), 자장 필터(123)를 포함한다.
카본 아크 소스(121)는, 장착된 흑연소재의 타켓에 스파크를 발생시켜 플라즈마화된 카본 이온을 생성한다.
이송관(122)은, 카본 아크 소스(121)로부터 생성된 카본 이온을 피코팅체(140)로 이송하는 구성이다.
자장 필터(123)는, 이송관(122)을 통해 이송되는 물질 중 비이온화된 입자를 자력에 의해 내벽측에 집속되게 하는 구성이다. 이에 의해 박막 표면이 울퉁불퉁하게 되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 실시형태에서, 이온빔 스퍼터 유닛(130)은, 이온빔 소스(131), 도핑물질타겟(132)을 포함한다.
이온빔 소스(131)는, 비활성 가스 이온을 조사하는 구성이다.
도핑물질타겟(132)은, 이온빔 소스(131)에서 조사되는 비활성 가스 이온에 의해 도핑 원자를 발생시키는 구성이다.
또한, 본 실시형태에서, 이온빔 소스(131)의 에너지와 전류를 조절하여 도핑 원자의 농도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
다음으로, 도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 방법을 보인 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 방법은, 증착 공간으로 제공되는 코팅 챔버(110)의 내부에 구비되며, 원통형으로 구비되고, 그 길이방향을 축으로 회전하도록 구비되는 홀더(150)에 피코팅체(140)를 배치하는 단계(S10), 코팅 챔버(110)의 일 측에 구비되며, 코팅 챔버(110) 내부로 카본 이온을 공급하는 자장 여과 아크 소스 유닛(120)을 가동하여, 카본 이온을 코팅 챔버(110)의 내부로 공급하는 단계(S20), 코팅 챔버(110)의 타 측에 구비되며, 코팅 챔버(110) 내부로 카본 이온과 독립적으로 도핑 원자를 공급하는 이온빔 스퍼터 유닛(130)을 가동하여, 도핑 원자를 상기 코팅 챔버의 내부로 공급하는 단계(S30) 및 피코팅체(140)가 자장 여과 아크 소스 유닛(120) 및 상기 이온빔 스퍼터 유닛를 순차로 향하도록 상기 홀더를 회전시켜 상기 도핑 원자와 탄소 이온이 균일하게 증착시키는 단계(S40)을 포함한다.
여기서, 이온빔 스퍼터 유닛(130)은, 비활성 가스 이온을 조사하는 이온빔 소스(131)와, 이온빔 소스(131)에서 조사되는 비활성 가스 이온에 의해 도핑 원자를 발생시키는 도핑물질타겟(132)을 포함하며, 이온빔 소스(131)의 에너지와 전류를 조절하여 도핑 원자의 농도를 제어하는 것을 특징으로 한다.

Claims (1)

  1. 증착 공간으로 제공되는 코팅 챔버;
    상기 코팅 챔버의 일 측에 구비되며, 상기 코팅 챔버 내부로 카본 이온을 공급하는 자장 여과 아크 소스 유닛;
    상기 코팅 챔버의 타 측에 구비되며, 상기 코팅 챔버 내부로 상기 카본 이온과 독립적으로 도핑 원자를 공급하는 이온빔 스퍼터 유닛; 및
    상기 코팅 챔버의 내부에 구비되며, 상기 카본 이온 및 상기 도핑 원자가 증착되는 피코팅체가 배치되는 홀더;를 포함하는 자장여과 아크 소스를 이용하여 도핑된 박막을 코팅하는 장치.

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