KR20200041331A - 고효율 저온 코팅을 수행하기 위한 코팅 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 진공 코팅 공정을 수행하기 위한 진공 코팅 챔버를 포함하는 코팅 장치에 관한 것으로, 상기 진공 코팅 챔버는, - 내부 측면(1b) 및 냉각된 측면(1a)을 갖는 하나 이상의 냉각된 챔버 벽(1), - 하나 이상의 냉각된 챔버 벽(1)의 내부 측면(1b)의 표면의 적어도 일부를 덮는, 하나 이상의 제거 가능한 차폐 플레이트(2)로서 챔버의 내부에 배치되는 보호 쉴드를 포함하며, 적어도 하나의 제거 가능한 차폐 플레이트(2)는 상기 제거 가능한 차폐 플레이트(2)에 의해 덮인 냉각된 챔버 벽(1)의 내부 측면(1b)의 표면과 관련하여 갭(8)을 형성하도록 배치되며, - 상기 제거 가능한 차폐 플레이트(2)에 의해 덮인 냉각된 챔버 벽(1)의 내부 측면(1b)의 전체 표면의 적어도 일부에 대응하는 연장부에서 갭(8)을 채우도록 열 전도성 수단(9)이 배치되고, 열 전도성 수단(9)은 상기 제거 가능한 차폐 플레이트(2)와 각각의 덮인 냉각된 챔버 벽(1) 사이의 전도성 열 전달을 가능하게 한다.

Description

고효율 저온 코팅을 수행하기 위한 코팅 장치
본 발명은 고효율 저온 코팅 공정이 수행될 수 있는 방식으로 코팅 챔버의 내부로부터 외부로 열 소산을 증가시킬 수 있는 장치을 갖는 코팅 장치에 관한 것이다.
진공 코팅 공정을 수행하기 위해 진공 코팅 챔버로서 사용되는 진공 챔버에는 일반적으로 제거 가능한 보호 쉴드가 제공되고, 상기 보호 쉴드는 진공 코팅 챔버의 벽의 내부 표면을 덮도록 배치되어서, 이들 쉴드는 코팅 공정 동안에 의도하지 않게 코팅되는 덮인 내부 표면을 보호할 수 있다.
코팅 공정 동안에 코팅 챔버 벽의 내부 표면이 불가피하게 코팅될 때, 코팅 층의 축적이 발생할 수 있으며, 이러한 조건 하에서 제조되는 코팅된 제품의 코팅 품질에 영향을 줄 수 있다. 이는 예를 들어, 축적된 코팅 층의 제어되지 않은 박리에 의해 초래되는 코팅 오염 때문에 발생할 수 있다. 또한, 불충분한 코팅 특성은 코팅 공정 동안에 바람직하지 않은 조건의 변경으로 인해 발생할 수 있으며, 이는 예를 들어, 비전도성 재료로 만들어진 코팅층의 축적으로 인한 아크에 의해 발생될 수 있다.
이러한 종류의 보호 쉴드를 사용하는 것은 명백한 이점을 수반한다. 주요 이점은 코팅 챔버 벽의 내부 표면 대신 보호 쉴드의 표면이 코팅된다는 것이다. 그렇게 함으로써, 하나 이상의 코팅 공정 후에 코팅 챔버로부터 보호 쉴드를 꺼내고, 예를 들어, 샌드 블라스팅과 같이 공지된 화학적 또는 기계적 스트리핑 공정을 사용함으로써 용이한 방식으로 보호 쉴드 표면 상에 증착된 코팅 층을 제거할 수 있다.
도 1은 이러한 보호 쉴드를 포함하고 코팅 공정을 수행하도록 설계된 진공 코팅 챔버로서 사용되는 종래의 진공 챔버(1)를 도시한다.
코팅 공정을 수행하기 위해 사용되는 전형적인 진공 코팅 기술은, 예를 들어, 물리 기상 증착(PVD) 기술(예컨대, 마그네트론 스퍼터링(MS), 고출력 임펄스 마그네트론 스퍼터링(HiPIMS)(고출력 펄스 마그네트론 스퍼터링(HPPMS)이라고도 함) 및 아크 증발(ARC))뿐만 아니라 플라즈마 강화 화학 증기 증착(PECVD) 기술(플라즈마 보조 화학 증착(PACVD) 기술이라고도 함)이다(가장 일반적으로 사용되는 진공 코팅 기술 중 일부만을 언급함). 이러한 종류의 기술은 일반적으로 코팅될 기판 또는 기판들에 비열 부하를 전달한다. 이러한 비열 부하는 기본적으로 플라즈마 특성과 증착 속도에 따라 다르다.
상기 언급된 모든 진공 코팅 기술은 전형적으로 0.1 Pa 내지 10 Pa의 압력 범위에서 발생하기 때문에, 챔버 내에 배치된 다른 표면 또는 몸체에 코팅될 하나 이상의 기판으로부터의 열 소산을 위한 주요 메커니즘은 열적 복사에 의해 제한된다.
도 1의 진공 코팅 챔버는 공정 온도를 조절하기 위해 수냉되는 외부 측면을 갖는 챔버 벽(1)을 포함한다. 상기 진공 코팅 챔버는 챔버 벽(1)의 내부 측면(1b)의 표면을 덮기 위해 진공 코팅 챔버의 내부에 제공되는 차폐 플레이트(2)로 구성되는 보호 쉴드를 또한 포함한다. 차폐 플레이트(2)는 챔버 외부로 이들을 꺼내고 코팅 공정 동안 차폐 플레이트(2) 상에 증착된 코팅 층을 제거하기 위해 샌드 블라스팅 공정을 수행하도록 제거 가능하게 챔버에 배치된다.
차폐 플레이트(2)는 챔버 벽(1)의 내부 표면(1b)과 관련하여 갭(8)을 형성하도록 배치되었다.
상기 갭 내에 포함된 공간은 코팅 공정 동안 진공 상태에 있다. 이에 따라, 압력은 일반적으로 매우 높은 진공(<1 x 10-10 Pa)과 10 Pa 사이에서 변할 수 있다. 따라서, 열 교환은 대부분 복사에 의해 가능하다. 이러한 이유로, 상기 공간 내에서의 열교환에 관한 주요한 역할은 관련된 복사 표면의 복사율 특성에 의해 이루어진다.
도 1에는 복사 히터가 도시되어 있지 않지만, 진공 코팅 챔버는 또한 코팅될 기판(3)을 가열하기 위해 챔버 내에 열을 도입하기 위한 열 소스로서 사용될 수 있는 하나 이상의 복사 히터를 포함할 수 있다.
도 1의 코팅 챔버는 예를 들어, 하나 이상의 코팅 소스를 포함할 수 있다. 코팅 소스는 예를 들어, 아크 증발 소스 또는 마그네트론 스퍼터링 소스 또는 코팅을 형성하는데 사용되는 임의의 다른 종류의 재료 소스일 수 있다. 상기 재료는 통상적으로 코팅 공정을 수행하는 방식으로 증발 또는 스퍼터링 또는 활성화되고, 재료의 이온을 포함하거나 또는 재료의의 적어도 일부 성분의 이온을 포함하는 플라즈마가 생성된다. 이렇게 하면, 열이 생성되어 코팅 챔버로 소산된다.
이러한 방식으로 생성된 열은 코팅될 챔버에 배치된 기판뿐만 아니라 차폐 플레이트(2)로 직접 전달될 수 있다는 점을 고려하는 것이 중요하다.
코팅 소스(4) 및 가열 라디에이터에 의해 발생된 상기 언급된 열 흐름 외에, 바이어스 전압 소스(5)를 사용하여 소위 바이어스 전압을 인가함으로써 추가 열 흐름이 발생될 수 있다.
바이어스 전압은 일반적으로 상기 언급된 코팅 소스 플라즈마와 코팅될 기판 사이의 전위차를 증가시키기 위해 코팅될 기판에 일반적으로 적용되는 적어도 주로 음의 전압이며, 이로써 플라즈마에 포함된 양으로 하전된 이온이 코팅될 기판 표면으로 가속되게 한다.
상기 바이어스 전압은 예를 들어, 일정한 DC 전압 신호 또는 펄스 DC 전압 신호 또는 전원에 의해 제공되는 양극성 펄스 DC 전압 신호로서 기판에 인가될 수 있다.
전술한 경우에, 코팅 챔버의 내부와 외부 사이의 열적 균형을 분석하기 위해, 기본적으로 적어도 다음 측면을 고려할 필요가 있을 것이다:
- 임의의 경우에, 코팅 챔버에서 플라즈마로부터 인출되며 바이어스 전압이 곱해진 전류는 기판 표면에서 직접 열로서 소산된다. 정상 상태에서, 열 흐름의 입력과 열 흐름의 출력 사이의 평형이 달성된다:
○ 입력은 열적 균형 영역(이 경우, 열적 균형 영역 = 코팅 챔버)으로 유입되는 열 흐름에 대응하되, 예컨대,
■ 열 흐름은 하나 이상의 코팅 소스에 의해 생성된 하나 이상의 플라즈마에 의해 소산되고,
■ 열 흐름은 코팅될 하나 이상의 기판에 바이어스 전압을 인가함으로써 생성되고,
■ 열 흐름은 하나 이상의 히터(예컨대, 복사 히터)에 의해 생성된다.
○ 출력은 열적 균형 영역에서 나오는 열 흐름에 대응하되, 예컨대,
■ 열 흐름은 코팅 챔버의 내부로부터 냉각수로 소산된다.
또한, 코팅 챔버 내의 열적 균형을 분석하기 위해, 예를 들어, 코팅 챔버 벽(1)으로 전달되는 열 흐름을 계산하기 위해, 열 교환, 특히, 코팅 챔버 내에 배치된 다른 몸체들 사이의 복사 열 교환도 고려되어야 할 것이고, 이러한 경우에, 이들은 기본적으로 코팅 소스, 복사 히터, 코팅될 기판, 차폐 플레이트(2) 및 수냉 벽(1)일 것이다.
온도에 민감한 재료를 포함하거나 이로 만들어진 기판은 특히 낮은 공정 온도에서 코팅되어야 한다. 이러한 경우에, 공정 동안 기판 온도는 한계 온도 미만으로 유지되어야 하며, 한계 온도 초과 시에는 기판 재료 특성의 손상이 발생할 수 있다.
마찬가지로, 원하는 코팅 재료 특성 및 요구되는 코팅 품질을 얻기 위해 코팅될 기판 표면 상에 특히 낮은 공정 온도에서 합성될 필요가 있는 일부 코팅 재료가 있다. 또한, 이러한 경우에, 공정 동안 기판 온도는 한계 온도 미만으로 유지되어야 하며, 한계 온도 초과 시에는 필요한 특성 또는 요구되는 품질을 나타내는 코팅 재료가 합성될 수 없다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 맥락에서 저온 코팅 공정이라는 용어는 온도 민감성 기판 또는 온도 민감성 코팅의 손상을 피하기 위해 코팅 공정 동안 초과되지 않아야 하는 온도와 관련이 있다.
본 발명의 맥락에서, 이러한 저온 코팅 공정은 예를 들어, 다음 단계 중 하나 이상을 포함하는 코팅 공정인 것으로 이해된다:
- 플라스틱 기판 또는 하나 이상의 플라스틱 재료, 예를 들어, PEEK, PC, ABS, PC/ABS를 포함하는 기판 상에 필름 증착.
- 스틸 기판 또는 180 ℃(예를 들어, 100Cr6)의 온도를 초과할 수 없는 하나 이상의 스틸 재료를 포함하는 기판 상에 필름 증착.
- DLC 필름(예컨대, a-C:H 또는 ta-C 필름 유형), 특히, 200 ℃ 이하 또는 180 ℃ 이하의 코팅 공정 온도에서 증착되어야 하는 DLC 필름의 증착.
이와 관련하여, 상기 언급된 단계 중 2개를 포함하는 하나의 전형적인 저온 코팅 공정은 예를 들어, 낮은 재결정 온도를 갖는 스틸 재료로 만들어진 부품 상에 200 ℃ 미만의 코팅 공정 온도를 요구하는 DLC 필름의 증착일 것이다.
크라스니체르 등은 코팅 챔버의 내부로부터 외부로의 열 소산의 증가가 달성될 수 있는 방식으로 보호 쉴드를 제공하기 위해 국제 공개공보 WO2016116384A1호 및 WO2016116383A1호에서 제안하고 있다. 전술한 문헌의 제안에 따른 보호 쉴드의 배치는 각각 도 2 및 도 3에 개략적으로 도시되어 있다.
국제 공개공보 WO2016116384A1호에서, 내부에서 챔버 벽(20)과 코팅될 기판을 배치하도록 예정된 코팅 챔버의 영역(이후, 상기 영역은 코팅 영역이라고도 함) 사이에 차폐 플레이트(30)가 배치되는 진공 챔버를 사용하여 챔버의 내부로부터 외부로의 열 소산을 조절하는 것이 제안되며, 차폐 플레이트(30)는 제1 및 제2 측면을 포함하고, 제1 측면이 상기 영역으로부터 멀어지고 내부 챔버 벽 측면을 향하는 방식으로 배치되고, 차폐 플레이트의 상기 제1 측면에는 코팅 공정 동안 ε≥ 0.65에 해당하는 복사율을 갖는 제1 층(31)을 적어도 부분적으로, 바람직하게는 대체로 제공된다(도 2 참조).
국제 공개공보 WO2016116383A1호에서, 코팅 챔버의 내부에 열 쉴드(30')를 제공함으로써 공정 온도를 제어하는 것이 제안되며, 열 쉴드(30')는 온도 제어 가능한 챔버 벽(20') 상에 배치되고, 열 쉴드(30')는 챔버 벽(20')의 내부 측면에 직접 인접한 적어도 하나의 교환 가능한 복사 쉴드(31')를 포함하며, 챔버 벽(20')을 향해 지향되는 복사 쉴드(31')의 제1 복사 표면(311')은 사전에 정해진 제1 열 교환 계수(εD1)를 갖고, 챔버 벽(20')으로부터 이격되게 지향되는 복사 쉴드(31')의 제2 복사 표면(312')은 사전에 정해진 제2 열 교환 계수(εD2)를 가지며, 상기 제1 교환 계수(εD1)는 상기 제2 열교환 계수(εD2)보다 크다(도 3 참조).
위에서 언급한 두 가지 제안은 코팅 챔버의 내부에서 외부로의 열 소산 증가를 조절하여 저온 코팅 공정의 수행을 가능하게 한다. 그러나, 특히, 필름 증착 속도와 관련하여 저온 코팅 공정에서 더 높은 효율에 대한 요구가 여전히 증가하고 있다.
이와 관련하여 히(He) 등은 국제 공개공보 WO2000056127A1호에서 저온 코팅 공정을 수행하는 방법, 특히, 낮은 기판 온도를 유지하여 DLC를 생성하는 방법을 제안하며, 고주파 유도 결합 플라즈마 소스는 필름 증착에 사용되고, 기판 온도는 수냉식 기판 홀더를 사용함으로써 조절되고, 음의 펄스 전압 신호를 사용함으로써 바이어스 전압이 상기 홀더에 인가된다. 그러나, 대부분의 경우, 히 등에 의해 제안된 냉각 기판 홀더의 사용은 큰 회전식 캐러셀이 기판 홀더로서 사용되는 배치(batch) 코팅 시스템에 적합한 해결책이 아니다.
본 발명의 주요 목적은 냉각 기판 홀더를 사용할 필요 없이 저온 코팅 공정을 수행할 수 있는 코팅 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 코팅 장치는 바람직하게는 저온 코팅 공정이 수행될 때 증가된 증착 속도와 관련하여 높은 효율을 달성할 수 있다.
본 발명의 목적은 고효율 저온 코팅 공정이 수행될 수 있는 방식으로 코팅 챔버의 내부로부터 외부로의 열 소산을 증가시킬 수 있는 본 발명의 장치를 갖는 본 발명의 코팅 장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.
도 1은 이러한 보호 쉴드를 포함하고 코팅 공정을 수행하도록 설계된 진공 코팅 챔버로서 사용되는 종래의 진공 챔버를 도시한다.
도 2는 보호 쉴드의 배치를 개략적으로 도시한다.
도 3은 보호 쉴드의 배치를 개략적으로 도시한다.
도 4는 진공 코팅 공정을 수행하기 위한 진공 코팅 챔버를 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 진공 코팅 챔버에 사용될 수 있는 차폐 플레이트의 두 가지 예를 도시한다.
본 발명에 따른 코팅 장치는 도 4에 개략적으로 도시된 진공 코팅 공정을 수행하기 위한 진공 코팅 챔버를 포함하며, 상기 진공 코팅 챔버는,
- 내부 측면(1b) 및 냉각된 측면(1a)을 갖는 하나 이상의 냉각된 챔버 벽(1),
- 하나 이상의 냉각된 챔버 벽(1)의 내부 측면(1b)의 표면의 적어도 일부를 덮는 하나 이상의 제거 가능한 차폐 플레이트(2)로서 챔버의 내부에 배치되는 보호 쉴드를 포함하며,
적어도 하나의 제거 가능한 차폐 플레이트(2)는 상기 제거 가능한 차폐 플레이트(2)에 의해 덮인 냉각된 챔버 벽(1)의 내부 측면(1b)의 표면과 관련하여 갭(8)을 형성하도록 배치되고,
열 전도성 수단(9)은 상기 제거 가능한 차폐 플레이트(2)에 의해 덮인 냉각된 챔버 벽(1)의 내부 측면(1b)의 전체 표면의 적어도 일부에 대응하는 연장부에서 갭(8)을 채우도록 배치되고,
열 전도성 수단(9)은 상기 제거 가능한 차폐 플레이트(2)와 각각의 덮인 냉각된 챔버 벽(1) 사이의 전도성 열 전달을 가능하게 한다.
갭은 예를 들어, 대략 5 mm 내지 20 mm의 범위일 수 있지만, 이 범위로 제한되지는 않는다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 열 전도성 수단(9)은,
- 각각의 덮인 냉각된 챔버 벽(1a)의 내부 측면(1b)과 대면하는 차폐 플레이트(2)의 측면 상의 차폐 접촉 표면(A)에 배치되는 적어도 하나의 차폐 상승면(9a) 및/또는 각각의 덮인 냉각된 챔버 벽(1a)의 내부 측면(1b) 상의 벽 접촉 표면(B)에 배치되는 적어도 하나의 벽 상승면(9b), 및
- 차폐 상승면(9a) 및/또는 벽 상승면(9b)으로 채워지지 않는 차폐 접촉 표면(A)과 벽 접촉 표면(B) 사이의 갭(8)의 나머지를 채우고, 차폐 접촉 표면(A)과 벽 접촉 표면(B) 사이의 전도성 열 전달을 위해 열적 인터페이스를 형성하도록 배치되는 열 브리지 재료(9c)를 포함한다.
본 발명의 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 열 전도성 수단(9)은,
- 각각의 덮인 냉각된 챔버 벽(1a)의 내부 측면(1b)과 대면하는 차폐 플레이트(2)의 측면 상의 차폐 접촉 표면(A)에 배치되는 적어도 하나의 차폐 상승면(9a) 및 각각의 덮인 냉각된 챔버 벽(1a)의 내부 측면(1b) 상의 벽 접촉 표면(B)에 배치되는 적어도 하나의 벽 상승면(9b)을 포함한다.
바로 위에 설명된 상기 실시예에서, 열 브리지 재료(9c)의 사용은, 적어도 하나의 차폐 상승면(9a) 및 적어도 하나의 벽 상승면(9b)이 서로 밀접하게 접촉하도록 배치되고, 차폐 접촉 표면(A)과 벽 접촉 표면(B) 사이의 전도성 열 전달을 수행하기 위한 열적 인터페이스를 형성하고, 이러한 방식으로 열 브리지 재료(9c)의 존재 또는 부재하에 전도성 열 전달을 허용할 때 선택적일 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 일 실시예에 따르면, 열적 브리지 재료(9c)는 카본 포일로서 제공된다.
바람직하게는 카본 포일은 자기-접착성 카본 포일이다.
차폐 플레이트 표면을 가로 질러, 특히, 열 전도성 수단(9)(차폐 상승면(9a) 또는 열적 브리지 재료)과 직접 접촉하는 차폐 접촉면(A)을 가로 질러 높은 전도성 열 전달을 가능하게 하기 위해서는 신중하게 차폐 플레이트의 재료 및 두께를 선택하는 것이 매우 중요하다.
이와 관련하여, 본 발명자들은 차폐 플레이트(2) 및 상기 상승면(9a 및 9b)이 높은 열 전도성 재료로 제조되고, 우수한 교차 열 전도성을 갖기 위해 적절한 두께를 가질 것을 제안한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 차폐 플레이트(2) 및 상승면(9a 및 9b)은 100 W/mK보다 큰 열 전도성을 갖는 열 전도성 재료로 제조된다.
본 발명의 맥락에서, 알루미늄 합금으로 만들어진 차폐 플레이트(2) 및 상승면(9a 및 9b)을 사용함으로써 열 전달로서 매우 우수한 전도가 달성되었다.
본 발명의 맥락에서, 차폐 플레이트 및 상승면(9a 및 9b)을 제조하기 위해 매우 적합한 높은 열 전도성 재료인 하나의 추가 재료는 알루미늄이다.
차폐 플레이트(2)의 두께 및 차폐 상승면(9a 및 9b)의 두께는 예를 들어, 3 mm 내지 12 mm 사이, 더욱 바람직하게는 6 mm 내지 10 mm 사이일 수 있다.
그러나, 상기 언급된 두께 범위는 제안된 범위이며, 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
차폐 상승면은 차폐 플레이트의 일부로서 설계될 수 있다. 이러한 경우에, 차폐 플레이트의 두께는 예를 들어, 약 9 mm로 선택될 수 있고, 차폐 플레이트의 접촉 영역은 추가 두께가 3 mm인 차폐 상승면으로서 설계될 수 있다.
벽 상승면은 또한 냉각된 진공 챔버 벽의 일부로서 설계될 수 있다.
차폐 상승면(9a)을 갖는 차폐 플레이트는 세그먼트로서 제공될 수 있어서, 각각의 세그먼트는 냉각된 챔버 벽의 표면을 덮도록 제공될 수 있다.
이러한 방식으로, 복수의 열 전도성 인터페이스를 통해 냉각된 챔버 벽의 선택된 접촉 표면 영역을 통한 전도를 통해 열 전달을 증가시키고 최적화하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 챔버 벽을 냉각시키기 위해 사용될 수 있는 바람직한 냉각 유체는 예를 들어 냉각수이며, 냉각수는 예를 들어, 대기의 이슬점보다 높은 온도를 가져야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 하나 이상의 열 전도성 인터페이스는 열 브리지 재료(9c) 외에 차폐 상승면(9a) 및 벽 상승면(9b)을 포함한다.
유지보수를 용이하게 하기 위해, 차폐 상승면(9a) 및 차폐 상승면(9b)은 대응물로서 설계될 수 있으며, 이는 클램프 메커니즘에 의해 함께 밀접하게 접촉될 수있어, 각각의 대응물이 대응하는 대응물에 클램핑될 수 있다. 열 전도율을 향상시키기 위해, 2개의 대응물 사이에 열 브리지 재료(9c)가 제공되어야 한다. 이 경우뿐만 아니라 다른 경우에도 열 브리지 재료(9c)는 자기-접착성 카본 포일일 수 있다. 상기 자기-접착성 카본 포일은 예를 들어, 쿤체(Kunze) 사에 의해 제조된 KU-CB1205-AV 유형의 자기-접착성 카본 포일일 수 있다.
클램프 메커니즘은 예를 들어, 하나 이상의 해제 나사에 의해 빠른 잠금으로 만들 수 있다. 이러한 방식으로, 상승면(9a 및 9b)은 해제(declamp)될 수 있고, 차폐 플레이트는 주기적으로 샌드 블라스팅 및 세정을 허용하기 위해 매우 쉬운 방식으로 제거될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 진공 코팅 챔버에 사용될 수 있는 차폐 플레이트의 두 가지 예를 도시한다. 도 5a 및 도 5b에 개략적으로 도시된 차폐 플레이트는 예를 들어, 코팅 소스 또는 가열 부재가 배치되지 않은 냉각된 챔버 벽을 덮는데 사용될 수 있다. 도 5a는 후방 측면(2a)을 도시하고, 도 5b는 유지보수가 필요한 차폐 플레이트의 전방 측면(2c)을 도시한다.
대조적으로, 도 5c에 개략적으로 도시된 차폐 플레이트는 예를 들어, 3개의 원형 부품이 배치된 냉각된 챔버 벽을 덮는데 사용될 수 있다. 도 5c는 차폐 플레이트의 후방 측 (2a)을 도시한다.
차폐 상승면(9a)은 전술한 바와 같이, 챔버 벽의 내부 측면(1b)을 향하는 차폐 플레이트의 후방 측면(2a)에 제공되어야 한다.
쇼케이스로서, 차폐 플레이트의 접촉 표면(A)이 도 5에 도시되어 있다. 상기 예에서, 이들 접촉면(A)은 차폐 상승면(9a)으로서 설계되고, 차폐 플레이트의 일부이다.
그러나, 상승면(9a)을 접촉 표면(A)에 개별적으로 장착하는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 코팅 장치는 코팅될 기판의 간접 냉각을 가능하게 하고, 이러한 방식으로 온도 민감성 기판 재료의 코팅 동안 낮은 공정 온도, 즉, 낮은 기판 온도를 유지하는 것을 가능하게 한다.
본 발명은 온도 민감성 코팅이 높은 증착 속도로 합성될 수 있는 코팅 공정을 추가로 수행할 수 있게 한다.
이는 본 발명에 따르면, 열 싱크로서 작용하는 방식으로 보호 쉴드를 차폐 플레이트로 제공함으로써, 코팅될 기판으로부터 보호 쉴드로 순 복사 열 플럭스를 증가시킴으로써 달성된다.
본 발명자들은, 열 전도성 수단이 차폐 플레이트와 냉각된 챔버 사이의 효율적인 전도성 열 교환을 허용하는 방식으로 차폐 플레이트와 냉각된 챔버 벽 사이에 열 전도성 수단(9)을 제공함으로써, 차폐 플레이트가 열 싱크로서 작용하는 것을 달성하였다.
차폐 플레이트와 냉각된 챔버 벽 사이의 전도성 열 교환을 허용하는 하나의 바람직한 방식은 보호 쉴드와 냉각된 챔버 벽 사이에 접촉 영역을 제공하는 것을 포함한다. 바람직하게는, 열 전도성 수단은 상기 언급된 접촉 영역을 포함하고 냉각된 챔버 벽에 보호 쉴드의 분리 가능한 클램핑을 허용하도록 설계된다.
본 발명의 맥락에서, "분리 가능한 클램핑"이라는 용어는 특히, 제1 대응물로 간주되는 보호 쉴드의 영역 및 제2 대응물로 간주되는 챔버 벽의 영역에는 각각의 챔버 벽 상에 보호 쉴드의 일시적인 클램핑을 허용하는 클램핑 수단이 제공되는 것을 의미하며, 클램핑 동안 제1 및 제2 대응물이 서로 밀접하게 접촉되어 제1 및 제2 대응물이 열적으로 연결될 수 있게 한다. 열 브리지 재료의 사용은 필수는 아니지만 특히, 열 브리지 재료로서 자기-접착성 카본 포일을 사용함으로써 전도를 통한 열 전달을 개선하는데 도움이 될 수 있다.
본 발명에 따르면, 코팅될 기판으로부터 보호 쉴드로 복사 열 플럭스의 적절한 증가를 달성하기 위해, 열 싱크로서 작용해야 하는 보호 쉴드가 냉각된 챔버 벽(1)의 내부 측면(1b)의 표면의 50% 이상의 덮는 것이 권장된다.
본 발명자들은 본 발명에 따른 코팅 장치로 몇 가지 실험을 수행하고, 본 발명의 코팅 장치는 기판 온도가 50 ℃ 내지 250 ℃의 범위로 유지될 필요가 있는 저온 코팅 공정을 수행하는데 가장 적합한 것으로 결정하였다.
특히, 본 발명자들은 DLC 및 ta-C 필름이 기판에 증착되며, 80 ℃ 내지 180 ℃의 온도 범위로 온도가 유지되는 저온 코팅 공정을 수행하였다.
그러나, 본 발명에 따른 코팅 장치의 사용은 250 ℃의 기판 온도를 초과하지 않아야 하는 코팅 공정으로 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 코팅 장치는,
- 300 ℃의 기판 온도를 초과하지 않아야 하고,
- PECVD 기술을 사용함으로써 DLC 필름을 증착하고,
- PVD ARC 기술을 사용함으로써 ta-C 필름을 증착하고,
- PVD ARC 기술을 사용함으로써 MoN 필름을 증착하고,
- 마그네트론 스퍼터링 또는 HiPIMS 또는 유사한 기술을 사용함으로써 경질 카본 필름을 증착하는 코팅 공정을 수행하기에 특히 적합하다.
본 발명에 따른 코팅 장치를 사용하는 기술적 이점은 도 1에 도시된 바와 같은 종래 기술에 따른 코팅 장치를 사용하여 얻어진 결과 및 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 코팅 장치를 사용하여 얻어진 결과를 비교하여 더욱 상세하게 설명될 것이다. 두 코팅 장치의 진공 챔버 크기는 ø 650 mm x 700 mm이다.
예 1
이 실시예에서, 본 발명자들은 본 발명에 따른 열 전도성 수단을 사용하는 것과 열 전도성 수단을 사용하지 않고 수행된 코팅 공정의 열 전달 시뮬레이션을 비교한다.
시뮬레이션은 다양한 냉각 조건에 따라 어떤 종류의 입력 전원이 150 ℃의 기판 온도를 제공하는지 예측한다.
필름 증착 속도의 증가는 코팅 소스 전력의 증가에 대응한다. 비교 결과는 아래의 표 1에 제시되어 있다:
코팅 장치 냉각수 온도 [℃] 코팅 소스에 의해 제공된 전력 [W] 바이어스 전압에 의해 제공된 전력 [W] 진공 챔버로 유입된 전체 전력 기판 온도 [℃] DLC 필름의 상대 증착 속도 [임의의 단위]
종래 기술 40 528 211 739 150 1
종래 기술 20 579 231 810 150 1.10
본 발명 40 696 278 974 150 1.32
본 발명 20 780 312 1092 150 1.48
예 2
이 실시예에서, 제1 실험은 본 발명에 따른 열 전도성 수단을 포함하지 않는 종래 기술에 따른 코팅 장치에서 수행되었다. 제2 실험은 본 발명에 따른 열 전도성 수단을 포함하는 코팅 장치에서 수행되었다. 두 경우 모두 동일한 HiPIMS 기술을 사용함으로써 DLC 필름이 증착되었다.
냉각수의 온도는 40 ℃로 유지되었고, 두 실험에서 냉각수의 유동은 일정하게 유지되었다. 코팅 소스 및 바이어스 전압에 의해 진공 챔버로 유입되는 전력은 제2 실험을 수행하기 위해 증가되었다. 모든 추가 코팅 파라미터는 일정하게 유지되었다.
본 발명자들은 놀랍게도 아래의 표 2에 도시된 바와 같이, 종래 기술과 비교하여 본 발명에 따른 코팅 장치를 사용함으로써 더 낮은 기판 온도뿐만 아니라 상당히 높은 증착 속도의 증가가 달성됨을 발견하였다.
코팅 장치 냉각수의 온도 [℃] 플라즈마 소스에 의해 제공된 전력 [W] 바이어스 전압에 의해 제공된 전력 [W] 차폐 플레이트 온도 [℃] 기판 온도 [℃] DLC 필름의 상대 증착 속도 [임의의 단위]
종래 기술 40 10.7 220 102 175 1
본 발명 40 15 320 76 159 1.35
예 3
또한, 이 실시예에서, 제1 실험은 본 발명에 따른 열 전도성 수단을 포함하지 않는 종래 기술에 따른 코팅 장치에서 수행되었다. 제2 실험은 본 발명에 따른 열 전도성 수단을 포함하는 코팅 장치에서 수행되었다.
두 경우 모두 동일한 HiPIMS 기술을 사용함으로써 CrN 필름이 증착되었다.
냉각수의 온도는 40 ℃로 유지되었고, 두 실험에서 냉각수의 유동은 일정하게 유지되었다. 모든 추가 코팅 파라미터는 일정하게 유지되었다.
이 실시예에서, 본 발명자들은 놀랍게도 본 발명에 따른 코팅 장치를 사용함으로써 아래의 표 3에 나타낸 바와 같이, 증착 속도에 영향을 미치지 않으면서 기판 온도의 상당한 감소가 달성된다는 것을 발견하였다.
코팅 장치 냉각수의 온도 [℃] 플라즈마 소스에 의해 제공된 전력 [W] 바이어스 전압에 의해 제공된 전력 [W] 차폐 플레이트 온도 [℃] 기판 온도 [℃] CrN 필름의 상대 증착 속도 [임의의 단위]
종래 기술 40 13.5 160 110 230 1
본 발명 40 13.5 160 73 160 1
본 발명의 다른 가능한 변형 예는 다음 단락에 기재되어 있다.
코팅 장치는 바람직하게는 진공 코팅 공정을 수행하기 위한 진공 코팅 챔버를 포함하며, 상기 진공 코팅 챔버는,
- 내부 측면(1b) 및 냉각된 측면(1a)을 갖는 하나 이상의 냉각된 챔버 벽(1),
- 하나 이상의 냉각된 챔버 벽(1)의 내부 측면(1b)의 표면의 적어도 일부를 덮는 하나 이상의 제거 가능한 차폐 플레이트(2)로서 챔버의 내부에 배치되는 보호 쉴드를 포함하며,
적어도 하나의 제거 가능한 차폐 플레이트(2)는 상기 제거 가능한 차폐 플레이트(2)에 의해 덮인 냉각된 챔버 벽(1)의 내부 측면(1b)의 표면과 관련하여 갭(8)을 형성하도록 배치되고,
- 열 전도성 수단(9)은 상기 제거 가능한 차폐 플레이트(2)에 의해 덮인 냉각된 챔버 벽(1)의 내부 측면(1b)의 전체 표면의 적어도 일부에 대응하는 연장부에서 갭(8)을 채우도록 배치되고, 열 전도성 수단(9)은 상기 제거 가능한 차폐 플레이트(2)와 각각의 덮인 냉각된 챔버 벽(1) 사이의 전도성 열 전달을 가능하게 한다.
코팅 장치는 바람직하게는 진공 코팅 공정을 수행하기 위한 진공 코팅 챔버를 포함하며, 상기 진공 코팅 챔버는 측면 챔버 벽, 챔버의 내부에 배치되는 보호 쉴드 및 측면 챔버 벽 중 하나에 배치되는 하나 이상의 코팅 소스를 포함하고,
- 하나 이상의 측면 벽은 내부 측면(1b) 및 냉각된 측면(1a)을 갖는 냉각된 챔버 벽(1)이고, 하나 이상의 보호 쉴드는 하나 이상의 코팅 소스가 배치되는 냉각된 측면 챔버 벽(1) 중 하나의 내부 측면(1b)의 표면의 적어도 일부를 덮는 제거 가능한 차폐 플레이트(2)로서 배치되며,
제거 가능한 차폐 플레이트(2) 중 적어도 하나는 상기 제거 가능한 차폐 플레이트(2)에 의해 덮인 냉각된 챔버 벽(1)의 내부 측면(1b)의 표면과 관련하여 갭(8)을 형성하도록 배치되고,
열 전도성 수단(9)은 적어도 하나의 제거 가능한 차폐 플레이트(2)에 의해 덮인 냉각된 측면 챔버 벽(1)의 내부 측면(1b)의 전체 표면의 적어도 일부에 대응하는 연장부에서 갭(8)을 채우도록 배치되며, 열 전도성 수단(9)은 적어도 하나의 제거 가능한 차폐 플레이트(2)와 냉각된 측면 챔버 벽(1)의 각각의 덮인 부분 사이의 전도성 열 전달을 가능하게 한다.
바람직하게는, 하나 이상의 코팅 소스(4)는 측면 챔버 벽(1)에 부착된다. 바람직하게는, 코팅될 기판(3)은 상기 챔버 벽(1)에 평행하게 위치된다. 측면 챔버 벽(1) 외에, 코팅 챔버는 바람직하게는 상부 및 하부에 챔버 벽(1)을 포함한다. 일반적으로 설치된 코팅 챔버에서, 본 발명의 관점에서, 측면은 또한 수직으로 이해될 수 있다. 이러한 의미에서, 측면 벽은 수평에 대응하여 직교한다.
바람직하게는, 적어도 하나의 제거 가능한 차폐 플레이트(2) 및 냉각된 측면 챔버 벽(1)의 각각의 덮인 부분은 모두 대응물로서 설계된 열 전도성 수단이 제공된 접촉 영역을 포함하고, 대응물은 상기 대응물의 일시적인 클램핑을 허용하는 클램핑 수단을 포함하며, 대응물은 상기 대응물의 일시적인 클램핑 동안 열적으로 연결된다.
바람직하게는, 열 전도성 수단(9)은,
- 각각의 덮인 냉각된 챔버 벽(1a)의 내부 측면(1b)과 대면하는 차폐 플레이트(2)의 측면 상의 차폐 접촉 표면(A)에 배치되는 적어도 하나의 차폐 상승면(9a) 및/또는 각각의 덮인 냉각된 챔버 벽(1a)의 내부 측면(1b) 상의 벽 접촉 표면(B)에 배치되는 적어도 하나의 벽 상승면(9b)을 포함한다.
바람직하게는, 열 전도성 수단(9)은,
- 차폐 상승면(9a) 및/또는 벽 상승면(9b)으로 채워지지 않는 차폐 접촉 표면(A)과 벽 접촉 표면(B) 사이의 갭(8)의 나머지를 채우고, 차폐 접촉 표면(A)과 벽 접촉 표면(B) 사이의 전도성 열 전달을 위해 열적 인터페이스를 형성하도록 배치되는 열 브리지 재료(9c)를 포함한다.
바람직하게는, 열 전도성 수단(9)은,
- 상기 제거 가능한 차폐 플레이트(2)와 각각의 덮인 냉각된 챔버 벽(1) 사이의 전도성 열 전달을 가능하게 하는 열적 인터페이스를 형성하기 위해 밀접하게 접촉하도록 서로의 전방에 배치되는 적어도 하나의 차폐 상승면(9a) 및 적어도 하나의 벽 상승면(9b)을 포함한다.
바람직하게는, 열 전도성 수단(9)은,
- 열적 인터페이스를 형성하기 위해 밀접하게 접촉하도록 배치된 적어도 하나의 차폐 상승면(9a)과 적어도 하나의 벽 상승면(9b) 사이의 접촉 표면에 배치되는 열 브리지 재료(9c)를 포함한다.
바람직하게는, 열 브리지 재료(9c)는 카본 포일이다.
바람직하게는, 카본 포일은 자기-접착성 카본 포일이다.
바람직하게는, 차폐 상승면(9a)은 차폐 플레이트(2)의 일부이고 및/또는 벽 상승면(9b)은 냉각된 챔버 벽(1)의 일부이다.
바람직하게는, 갭(8)은 약 5 mm 내지 약 20 mm의 범위에 있다.
바람직하게는, 차폐 플레이트(2)의 두께 및 차폐 상승면(9a 및 9b)의 두께는 약 3 mm 내지 약 12 mm 사이, 바람직하게는 6 mm 내지 10mm 사이에 있다.
바람직하게는, 차폐 상승면(9a 및 9b)은 차폐 플레이트의 일부로서 설계될 수 있다.
바람직하게는, 차폐 플레이트의 두께는 약 9 mm이다. 바람직하게는, 차폐 플레이트(2)의 접촉 영역은 추가 두께가 약 3 mm인 차폐 상승면(9a 및 9b)으로서 설계된다.
바람직하게는, 차폐 상승면(9a)을 갖는 차폐 플레이트는 세그먼트로서 제공될 수 있어서, 각각의 세그먼트는 냉각된 챔버 벽의 표면을 덮도록 제공될 수 있다.
바람직하게는, 챔버 벽을 냉각시키기 위해 냉각 유체가 사용된다. 바람직하게는, 냉각 유체는 물이다. 바람직하게는, 물 온도는 대기의 이슬점보다 높다.
바람직하게는, 차폐 상승면은 냉각된 진공 챔버 벽(1)의 일부이다.
바람직하게는, 차폐 상승면(9a 및 9b)은 차폐 플레이트(2)의 에지부에 근접하게 위치된다. 이 경우, 열 냉각이 상당히 높다. 또한, 열 응력으로 인해 차폐 플레이트(2)의 굽힘이 감소된다.
바람직하게는, 적어도 하나의 제거 가능한 차폐 플레이트(2)는 각각의 냉각된 챔버 벽(1) 상에 배치된다.
바람직하게는, 각각의 챔버 벽(1)이 냉각된다.
방법은 바람직하게는 적어도 하나의 기판이 코팅되는 단계를 포함하며, 코팅 공정은 이전 단락 중 어느 하나에 따른 장치에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 코팅될 기판은 코팅 공정 동안 200 ℃보다 높지 않은 온도로 유지된다.

Claims (15)

  1. 진공 코팅 공정을 수행하기 위한 진공 코팅 챔버를 포함하는 코팅 장치로,
    상기 진공 코팅 챔버는,
    - 내부 측면(1b) 및 냉각된 측면(1a)을 갖는 하나 이상의 냉각된 챔버 벽(1),
    - 하나 이상의 냉각된 챔버 벽(1)의 내부 측면(1b)의 표면의 적어도 일부를 덮는, 하나 이상의 제거 가능한 차폐 플레이트(2)로서 챔버의 내부에 배치되는 보호 쉴드를 포함하며,
    적어도 하나의 제거 가능한 차폐 플레이트(2)는 상기 제거 가능한 차폐 플레이트(2)에 의해 덮인 냉각된 챔버 벽(1)의 내부 측면(1b)의 표면과 관련하여 갭(8)을 형성하도록 배치되는, 코팅 장치에 있어서,
    - 상기 제거 가능한 차폐 플레이트(2)에 의해 덮인 냉각된 챔버 벽(1)의 내부 측면(1b)의 전체 표면의 적어도 일부에 대응하는 연장부에서 갭(8)을 채우도록 열 전도성 수단(9)이 배치되고, 열 전도성 수단(9)은 상기 제거 가능한 차폐 플레이트(2)와 각각의 덮인 냉각된 챔버 벽(1) 사이의 전도성 열 전달을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  2. 진공 코팅 공정을 수행하기 위한 진공 코팅 챔버를 포함하는 코팅 장치로,
    상기 진공 코팅 챔버는 측면 챔버 벽, 챔버의 내부에 배치되는 보호 쉴드 및 측면 챔버 벽 중 하나에 배치되는 하나 이상의 코팅 소스를 포함하고,
    - 하나 이상의 측면 벽은 내부 측면(1b) 및 냉각된 측면(1a)을 갖는 냉각된 챔버 벽(1)이고, 하나 이상의 보호 쉴드는 하나 이상의 코팅 소스가 배치되는 냉각된 측면 챔버 벽(1) 중 하나의 내부 측면(1b)의 표면의 적어도 일부를 덮는 제거 가능한 차폐 플레이트(2)로서 배치되며,
    제거 가능한 차폐 플레이트(2) 중 적어도 하나는 상기 제거 가능한 차폐 플레이트(2)에 의해 덮인 냉각된 측면 챔버 벽(1)의 내부 측면(1b)의 표면과 관련하여 갭(8)을 형성하도록 배치되는, 코팅 장치에 있어서,
    적어도 하나의 제거 가능한 차폐 플레이트(2)에 의해 덮인 냉각된 측면 챔버 벽(1)의 내부 측면(1b)의 전체 표면의 적어도 일부에 대응하는 연장부에서 갭(8)을 채우도록 열 전도성 수단(9)이 배치되며, 열 전도성 수단(9)은 적어도 하나의 제거 가능한 차폐 플레이트(2)와 냉각된 측면 챔버 벽(1)의 각각의 덮인 부분 사이의 전도성 열 전달을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    적어도 하나의 제거 가능한 차폐 플레이트(2) 및 냉각된 측면 챔버 벽(1)의 각각의 덮인 부분은 대응물로서 설계된 열 전도성 수단이 제공된 접촉 영역을 포함하고, 대응물은 상기 대응물의 일시적인 클램핑을 허용하는 클램핑 수단을 포함하며, 대응물은 상기 대응물의 일시적인 클램핑 동안 열적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 전도성 수단(9)은,
    - 각각의 덮인 냉각된 챔버 벽(1a)의 내부 측면(1b)과 대면하는 차폐 플레이트(2)의 측면 상의 차폐 접촉 표면(A)에 배치되는 적어도 하나의 차폐 상승면(9a) 및/또는 각각의 덮인 냉각된 챔버 벽(1a)의 내부 측면(1b) 상의 벽 접촉 표면(B)에 배치되는 적어도 하나의 벽 상승면(9b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열 전도성 수단(9)은,
    - 차폐 상승면(9a) 및/또는 벽 상승면(9b)으로 채워지지 않는, 차폐 접촉 표면(A)과 벽 접촉 표면(B) 사이의 갭(8)의 나머지를 채우고, 차폐 접촉 표면(A)과 벽 접촉 표면(B) 사이의 전도성 열 전달을 위해 열적 인터페이스를 형성하도록 배치되는 열 브리지 재료(9c)를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 전도성 수단(9)은,
    - 상기 제거 가능한 차폐 플레이트(2)와 각각의 덮인 냉각된 챔버 벽(1) 사이의 전도성 열 전달을 가능하게 하는 열적 인터페이스를 형성하기 위해 밀접하게 접촉하도록 서로의 전방에 배치되는 적어도 하나의 차폐 상승면(9a) 및 적어도 하나의 벽 상승면(9b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열 전도성 수단(9)은,
    - 열적 인터페이스를 형성하기 위해 밀접하게 접촉하도록 배치된 적어도 하나의 차폐 상승면(9a)과 적어도 하나의 벽 상승면(9b) 사이의 접촉 표면에 배치되는 열 브리지 재료(9c)를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  8. 제5항 또는 제7항에 있어서,
    상기 열 브리지 재료(9c)는 카본 포일인 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 카본 포일은 자기-접착성 카본 포일인 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    차폐 상승면(9a)은 차폐 플레이트(2)의 일부이고 및/또는 벽 상승면(9b)은 냉각된 챔버 벽(1)의 일부인 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  11. 제4항 내지 제7항, 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    차폐 상승면(9a, 9b)은 차폐 플레이트의 일부로서 설계될 수 있는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    챔버 벽을 냉각시키기 위해 냉각 유체가 사용되는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 갭(8)은 약 5 mm 내지 약 20 mm의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
  14. 적어도 하나의 기판이 코팅되는 단계를 포함하는 방법으로,
    코팅 공정은 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 장치에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    코팅될 기판은 코팅 공정 동안 200 ℃보다 높지 않은 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
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