KR20220027172A - 음극 아크 소스 - Google Patents

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KR20220027172A
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magnetic
arc evaporation
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KR1020227002620A
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지크프리트 크라스니처
위르그 하그만
안드레아스 페터 트로이홀츠
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오를리콘 서피스 솔루션스 아크티엔게젤샤프트, 페피콘
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Abstract

본 발명은
다음을 포함하는 음극 아크 증발 장치:
· 음극 아크 공정에서 그로부터 재료가 증발될 수 있는 활성 표면(3")을 포함하는 타겟 표면(3')을 갖는 타겟(3);
· 타겟 표면(3')의 외부 경계선을 둘러싸는 구속(4);
· 적어도 하나의 타겟 표면에서 활성 표면의 전방의 축방향 거리에 적어도 하나의 타겟(3)과 구속(4)을 감싸는 전자 수용면(2', 2", 2"' )을 갖는 양극(2);
· 타겟 표면의 적어도 외부 영역에 필수적으로 평행하게 타겟 표면에 자계를 제공하도록 구성되는 자기 가이드 시스템으로서, 자력선이 타겟 표면에 평행하거나 예각 α로 기울어지도록 제공되며, 여기서 활성 표면(3")은 자력선이 예각 α≤45°로 타겟 표면에 들어가는 표면(3') 영역으로 정의되는 자기 가이드 시스템;
· 중심축 Z 또는 중심 평면(Z');
· 여기서 구속(4)과 양극(2) 양자는 폐쇄된 기하학적 구조로 만들어지고 둘 다 서로에 대해서 및 타겟에 대해서 전기적으로 절연되며, 여기서 활성 표면(3") 으로부터 전자 수용면(2', 2", 2")까지의 최소 거리는, 타겟 표면(3')의 외부 경계선의 전자 수용면의 내부 경계선까지의 적어도 하나의 반경방향 거리(Δr14)에 의해 정의되며, 타겟 표면(3')의 외부 경계선은 타겟의 중앙으로부터 반경방향 거리 r1을 가지며, 전자 수용면의 내부 경계선은 타겟의 중앙으로부터 반경방향 거리 r4를 가지며, 타겟 표면(3')으로부터 구속의 상부 경계선까지의 축방향 거리 h1을 갖고, 타겟 표면(3')으로부터 전자 수용면(2', 2", 2"')의 하부 경계선까지의 축방향 거리 h2를 갖는 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치에 관한 것이다.

Description

음극 아크 소스
본 발명은 음극 아크 증발 장치, 기판상에 하드 코팅을 증착하는 방법 및 코팅된 기판을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 명세서에서 아크 소스 또는 아크 증발 소스라고도 칭하는 음극 아크 증발 장치는, 도구 코팅 분야에서 다수의 다양한 표면 처리 및 코팅 증착 공정을 위한 주요 장비로서 물리적 기상 증착(PVD) 분야에서 잘 알려져 있고, 부품 코팅 분야에서도 어느 정도 알려져 있다. 그러나 광범위한 응용에도 불구하고, 최첨단 기술에는 아크 소스의 표면에서 기판으로 전달되는 높은 열 부하와 아크가 갇힐 때 발생할 수 있고, 종종 특히 금속 표면에서 나타나는, 일반적으로 "용융입자 (droplet)" 또는 "거대입자(macro-droplet)"라고 통칭되는 고밀도의 "입자"가 생성되는 몇 가지 내재적인 단점이 있다. 용융입자는 아크가 갇힐 때 일어날 수 있다. 다시 말해서, 아크 스팟이 타겟 표면으로부터 타겟 재료가 적절하게 증발 및 이어서 이온화되지 않고, 증발된 기판의 타겟 표면의 특정 지점에 오래 남을 때 용융입자가 발생하는데, 종종 특히 금속 표면상에서, 용융입자를 생성하는 폭발적인 방식으로 증발해서, 기판 표면 및 코팅체에서 발견될 수 있는 수 ㎛ 크기의 용융액적(droplet)을 형성하는 멜팅 풀(melting pool)을 결과시킨다.
아직까지는 필터링된 아크 소스만이 양자의 문제를 해결하는 것으로 보이지만, 그러한 아크 소스는 그들의 복잡한 자기 설정(magnetic set-up)으로 인해 매우 고가이고 코팅률 면에서 생산성이 높고 견고하고 공정을 다루기 용이한 기존 아크 소스의 이점을 대부분 잃는다.
소위 스티어드 아크 소스(steered arc source)라고 불리는 다른 소스 타입에 대한 몇 가지 유망한 기술들이 개발되었다. 스티어드 아크 소스에서 아크는 동자계 또는 정자계에 의해 표면에 구속되고, 특수한 경로로 랜덤 아크에 비해서 빠른 속도로 이동하도록 유발된다.
Krassnitzer 등은 국제특허공개 WO 2011/160766 A1호에서 도 5에 도시된 바와 같은 일정하게 높은 증발 속도로 낮은 표면 거칠기를 갖는 층을 생성하는 것을 가능하게 하는 아크 소스를 제안하였다. 아크 소스는 음극(타겟), 양극 및 짧은 연결로 타겟 표면에서 양극으로 유도되는 자력선을 가능하게 하는 자계 생성 수단(magnetic means)을 포함한다. 이러한 방식에서, 기판 앞의 전위 거동이 더 이상 왜곡되지 않는데, 그 이유는 그러한 플라즈마의 전자 온도(electron temperature)가 단지 약 0.3 eV ~ 1 eV에 불과하기 때문이다.
그러나 특히 알루미늄과 같은 낮은 융점을 갖는 다량의 화학원소들로 구성되거나 이러한 화학원소들을 포함하는 재료로 만들어지는 타겟이 증발되어야 하는, 반응성 음극 아크 증발 공정에 의해 생성된 코팅에서 용융입자 형성을 더 감소시키는 것과 관련하여 여전히 개선이 필요하다.
본 발명의 목적 중 하나는, 상술한 종래 기술의 아크 소스의 문제점을 해결하기 위한 해결책을 구성하는 새로운 아크 소스를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명은 코팅될 기판 표면의 열 부하(및 결과적으로 기판 온도)가 가능한 한 낮게 유지될 수 있고, 동시에 코팅체 내의 용융입자의 크기와 밀도를 추가적으로 감소시킬 수 있는 방식으로 반응성 음극 아크 증착 기술을 사용하여 기판 코팅을 가능하게 하는 새로운 아크 소스를 제공해야만 한다.
본 발명의 목적은 후술하는 바와 같은 본 발명의 아크 소스를 제공함으로써 달성된다.
본 발명에 따른 아크 소스(음극 아크 증발 장치)는 다음을 포함한다:
- 다음을 갖는 음극(cathode)으로서의 타겟
· 증발될 재료의 전면-타겟 표면(front-target surface)(이하 단순히
'타겟 표면'이라고도 함)(증발될 타겟 표면은 본원 명세서에서 '활성 표면(active surface)'이라고도 함 - 이어서 활성 표면은 음극 아크 증발 과정에서 그로부터 재료가 증발되는 타겟 표면임),
· 전면-타겟 표면과 평행하지만 전면-타겟 표면에 대하여 반대쪽에 위치한 타겟 후면판와 면하는 후면-타겟 표면(back-target surface),
· 전면-타겟 표면과 후면-타겟 표면을 연결하는 측면-타겟 표면(side-target surface)(이하 타겟의 경계 또는 경계라고도 함),
- 전기 플로팅 구속 부재(electrical floating confinement member)(이하 구속 부재 또는 단순히 구속 또는 전기 플로팅 아크 스폿 구속(confinement or electrical floating arc spot confinement)이라고도 함), 바람직하게 링 형상이지만, 다른 형상도 고려될 수 있는데, 예를 들어 구속 부재는 정사각형 또는 직사각형 형상일 수 있고, 여기서 구속 부재는 측면-타겟 표면에 인접하여 위치하는 것이 바람직하고, 바람직하게 측면-타겟 표면을 둘러싸거나 적어도 부분적으로 둘러싸고(그러나 직접 접촉하지 않음), 특히 구속 부재는 타겟 표면의 외부 경계선을 둘러싸도록 위치되고(즉, 특히 전면-타겟 표면에 이웃하는 구속 부재는 타겟의 경계선 표면을 둘러싸도록 위치된다), 상기 전기 플로팅 구속 부재는 내표면과 외표면을 포함하고, 여기서 측면-타겟 표면은 상기 구속 부재의 외표면 보다 구속 부재의 내표면에 더 가까운 전기 플로팅 구속 부재;
- 전자 수용면(electron receiving surface)으로 기능하는 내표면을 갖는 양극으로서의 전극,
- 전면-타겟 표면의 전방에 위치한 자력선을 포함하는 자계를 제공하도록 구성된 자계 생성 수단(이하 자기 가이드 시스템(magnetic guidance system) 또는 간단히 자기 수단(magnetic means)이라고도 함),
여기서:
- 구속 부재의 내표면은,
· 전면-타겟 표면에 대한 수직 평면에서의 거리가 고려되는 경우에,
전면-타겟 표면과 양극의 전자 수용면 사이에, 및/또는
· 전면-타겟 표면에 대한 수평 평면에서의 거리가 고려되는 경우에,
측면-타겟 표면과 양극의 전자 수용면 사이에 배치된다.
- 자계 생성 수단은 적어도 다음 두 자계 영역을 생성하도록 설계 및 조정되며,
· 전면-타겟 표면을 나가서 구속 부재의 내표면에서 끝나는, 전방
타겟 표면의 전방에 위치된 자력선을 포함하는 제1 영역, 및
· 전면-타겟 표면을 나가서 양극의 전자 수용면에서 끝나는, 전면
타겟 표면 전방에 위치된 자력선을 포함하는 제2 영역,
이에 의해 아크 소스가 진공 챔버 내에서 작동될 때 3개의 플라즈마 존 또는 플라즈마 영역이 생성될 수 있도록 하며, 여기서:
- 제1 플라즈마 존(플라즈마 존 A 또는 가벼운 플라즈마 존 A 또는 높은 전자 온도 플라즈마 존 A)은, 전면-타겟 표면에서 나가서 구속 부재의 내표면에서 끝나는 자력선 때문에, 양극에 접근하지 않고 자계를 횡단하는 전자를 포함하고,
- 제2 플라즈마 존(플라즈마 존 B 또는 다크 플라즈마 존 B 또는 낮은 전자 온도 플라즈마 존 B), 여기서 전자들은 전면-타겟 표면을 나가서 전자 수용면에서 끝나는 자력선에 의해 양극으로 드리프트되어, 1차 회로(primary circuit)를 닫고,
- 제3 플라즈마 존 (플라즈마 존 C 또는 다크 플라즈마 존 C 또는 낮은 전자 온도 플라즈마 존 C), 여기에는 자력선이 없는데, 전면-타겟 표면에서 나가서 구속 부재의 내표면에서 끝나지도 않고 전면-타겟 표면에서 나가서 전자 수용면에서 끝나지도 않음.
이러한 방식으로, 본 발명의 아크 소스를 사용하여 다음과 같은 획기적인 개선을 달성할 수 있는데, 이들은 동시에 다음 세 가지 이점을 포함한다.
(1) 플라즈마 존 B 및 C에서 감소된 전자 온도 및 결과적으로 플라즈마 처리 또는 코팅될 기판(일반적으로 플라즈마 존 C)을 둘러싸는 플라즈마의 감소된 전자 온도는, 기판에 대한 열 부하를 감소시켜 다음과 같은 이점을 제공한다.
· 온도에 민감한 재료로 만들어지거나 포함하는 기판의 코팅 또는 플라즈마 처리,
· 대응하는 합성을 위해 낮은 온도를 요구하는 코팅 재료의 형성,
(2) 존 B 및 C에서 반응성 가스의 이온화 감소 및 결과적으로 반응성 가스 이온의 양을 감소(예컨대, 질소가 반응성 가스로 사용되는 경우, 가스 이온 N+ 및 N2+의 양 감소)시켜, 반응성 가스 이온의 감소 또는 부재에 의해서 촉진되는 코팅 재료의 합성을 가능하게 한다.
(3) 플라즈마 존 A에서 반응성 가스 이온의 플라즈마 밀도 증가로 인해 코팅내의 용융입자(droplet)의 크기와 양이 크게 감소한다. 반응성 가스 이온이 전면-타겟 표면의 재료와 반응하여, 전면-타겟 표면 재료의 상태에 변화를 일으킨다. (예를 들어, 전면-타겟 표면의 재료가 금속 또는 반금속이고, 질소가 반응성 가스로 사용되는 경우, 가스 이온 N+ 및 N2+는 전면-타겟 표면의 금속 또는 반금속과 반응하여, 더 작은 용융입자 및/또는 더 적은 용융입자가 생성되는 방식으로 전면-타겟 표면 재료의 질화를 일으킨다. 타겟 재료가 Ti 또는 Al 또는 AlTi이고 질소가 반응성 가스인 경우에, 전면-타겟 표면의 질화 중에, TiN 또는 AlN 또는 AlTiN의 질화 층이 형성되어, 질화물 층에 흐르는 아크 스폿의 스티어링 속도가 증가하여, 전면-타겟 표면의 증발 속도가 감소하고 용융입자의 방출이 감소하며, C 존에 위치된 기판상의 코팅체의 거칠기가 감소되고, 매끄러운 표면을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하나의 실시예의 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예의 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예의 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예의 장치의 개략도이다.
이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다.
<정의>
본원 명세서에서 '음극 아크 증발 장치'라는 용어는 '아크 소스' 및 마찬가지로 '아크 증발 소스"와 동의어로 사용된다.
달리 명시되지 않는 한, 반경방향(r1, … rn) 및 축방향(h1, … hn) 거리, 용어 '더 높은(higher)' 및 '더 낮은(lower)' 및 각각의 유사어들은, 도면에 도시된 아크 소스의 구성들과 관련하여 사용된다. 내부(inner) 및 외부(outer)라는 용어는, 달리 명시되지 않는 한, 아크 소스의 축 또는 중심선(Z)과 관련하여 사용되며, 여기서 Z는 최내측 위치를 정의한다. 그러나 통상의 기술자들은 아크 소스가 진공 챔버의 바닥, 진공 챔버 측면 또는 오버헤드(미도시)를 의미하는, 진공 챔버의 임의의 위치에 배열될 수 있다는 것을 알고 있으며, 따라서 이 용어를 아크 소스에 대해서 각각 도면에 도시된 바와 같이 해석할 것이다.
놀랍게도, 본 발명의 아크 소스는 또한 본 발명이 속하는 기술 분야의 공지의 소스에 의해 제공될 수 있는 것보다 열역학적 평형 상태에서 더 멀리 떨어진 화합물 조성물을 증착하는 데 사용될 수 있음을 증명할 수 있고, 이것은 본 발명의 또 다른 주제이다.
적어도 하나의 본 발명의 음극 아크 증발 장치가 사용되는 방법뿐만 아니라 본 발명에 따른 음극 아크 증발 장치의 더 상세한 설명 및 바람직한 실시예가 아래에서 더 상세하게 설명될 것이다.
본 발명에 따른 음극 아크 증발 장치의 바람직한 실시예에서, 장치는
- 음극 아크 공정에서 그로부터 재료가 증발될 수 있는 활성 표면(위에서 증발될 표면이라고 함)을 포함하는 타겟 표면(위에서는 전면-타겟 표면이라고 함)을 갖는 타겟;
- 타겟 표면의 외부 경계선을 둘러싸는 구속(confinement)으로서, 구속은 단일 피스 본체 또는 여러 개의 구속 부재로 구성된 구속 본체(confinement body)일 수 있고,
- 전자 수용면(electron receiving surface)을 갖는 음극, 여기서 음극은 하나 이상의 타겟면에 및 활성 표면의 전방의 축방향 거리에서 하나 이상의 타겟 및 구속을 감싼다.
- 타겟 표면의 적어도 50%, 또는 70%, 또는 심지어 90% 이상을 포함할 수 있는 타겟 표면의 적어도 외부 영역(outer region)과 필수적으로 평행한 타겟 표면에 자계를 제공하도록 구성된 자기 가이드 시스템(magnetic guidance system). 이 맥락에서 '필수적으로 평행하다'는 것은 자력선들이 평행하거나 예각 α≤45°, 또는 α≤30°, 또는 심지어 α≤25°로 타겟 표면에 대해 기울어져 있음을 의미하며, 이에 따라 활성 표면 면적이 정의된다. 아래에 자세히 설명된 바와 같이 전자 트래핑 등의 효과는 타겟 표면 및 그 근처에서, 예를 들어 존 A에서 자계의 평행도가 높을수록 증가한다는 점을 언급해야 한다. 후술하는 설명 참조.
- 원형 아크 소스의 경우 중심축 Z 또는 다각형, 예를 들어 직사각형 아크 소스의 경우 중심 평면(Z');
구속과 음극은 둘 다 바람직하게 고리 또는 직사각형 등과 같은 다각형과 같은 닫힌 기하학적 구조로 만들어지며, 양자 모두 서로에 대해서 및 타겟에 대해 전기적으로 절연되며, 여기서 활성 표면으로부터의 전자 수용면의 최소 거리는 다음의 기하학적 매개변수 중 적어도 하나에 의해 한정된다: 타겟 표면의 외부 경계선에서 전자 수용면의 내부 경계선까지의 반경방향 거리 Δr14, 이에 의해 타겟 표면의 외부 경계선은 타겟의 중간에서부터 반경방향 거리 r1을 갖고, 전자 수용면의 내부 경계선은 타겟의 중간에서부터 반경방향 거리 r4를 가지며, 타겟 표면에서 구속의 상부 경계선으로부터 또는 전자 수용면의 하부 경계선으로부터의 축방향 거리 h1 또는 h2를 갖는다. 이 거리는 아크 소스의 방전 전압 증가에 대해서 축방향 유효 거리(axial effective distance)로 볼 수 있다.
이로써 음극 아크 공정 동안에 타겟의 외부 영역 전방에서 높은 플라즈마 밀도가 달성될 수 있다. 필수적인 표면 평행 자계와 격리된 구속(isolated confinement)에서 형성되는 플로팅 전위로 인해서, 충돌하는 전자의 대부분이 고밀도 플라즈마로 되돌아가 튕겨져 갇히게 되며 스퍼터 타겟의 경주 트랙과 유사한 원형 운동을 하도록 강제된다. 전자가 축방향 거리 h1 및 반경방향 거리 r4에서 여전히 구속으로 들어가는 최외곽 자력선을 넘어 탈출할 때만, 전자 수용면과 타겟 표면 사이의 영역에서, 여전히 상당한 자계로 인해 전자들은 음극 쪽으로 구동되고, 통상 접지전위인 음극에서 중화한다.
이로써 필수적으로 평행한 자계는 활성 타겟 표면으로부터 구속 또는 전자 수용면의 적어도 축방향 거리(h1 또는 h2)까지 연장될 수 있거나 타겟 표면 위로 적어도 5 내지 20 mm의 높이까지 연장될 수 있다.
본 발명의 임의의 실시예에서, 필수적으로 평행한 자계(essentially parallel magnetic field)를 포함하는 활성 표면 위에 존(zone) A가 제공되고, 여기서 자속 밀도(BA)의 강도는 20 내지 500 가우스 또는 그 이상이고, 예를 들어 타겟 표면의 중간 직경에서 약 40 내지 60 가우스이고, 강자성 중앙 리미터를 이용하여 만들어질, 그것에서 수 밀리미터 떨어진 가까운 근방에서 약 500가우스 또는 그 이상으로 설정될 수 있다. 존 A는 활성 타겟 표면의 외부 경계선이나 직경을 제한하는 구속에 의해 측면으로 제한된다. 타겟의 중심으로, 존 A는 자력선이 > 45°의 각도로 타겟 표면으로 들어가는 타겟의 비활성 표면 영역(inactive surface region)에 의해 또는 후술하는 자기 중앙 요크(magnetic central yoke)의 속성을 갖는 중앙 리미터에 의해 제한된다. 타겟으로부터 축방향으로, 존 A는 여전히 구속에 들어가는 마지막 자력선에 의해 제한되며, 이 자력선은 전자 수용면으로 들어가는 다음 자력선 바로 직전의 자력선(예를 들어, 그의 가장 낮거나 그의 최내측 경계선)이다.
구속은 자성 또는 비자성 재료, 예를 들어 중앙 리미터(central limiter)에 사용되는 자성 강(magnetic steel)(아래 참조) 또는 비자성 강, 세라믹 또는 활성 타겟 표면 근처에서 높은 열 부하를 견딜 수 있는 기타 재료로 만들어질 수 있다.
활성 타겟 표면의 외경과 전자 수용면의 내경 사이의 반경방향 거리(Δr14)는 5 내지 30 mm, 예를 들어 20±5 mm이다. 이 거리는 아크 소스의 방전 전압 증가와 관련한 반경방향 유효 거리로 볼 수 있다.
장치의 중심으로부터 타겟 표면의 외부 경계선의 반경방향 거리(r1)는 80 내지 220 mm, 예를 들어 15±5 mm이다.
축방향의 거리 (h1 또는 h2)는 0~20 mm, 예를 들면 15±5 mm로 한다.
타겟 표면에서 전자 수용면의 최대 축방향 거리(h3)는 10≤h3≤50일 수 있다. 자기 가이드 시스템은 적어도 타겟의 후면의 전방에 위치하고 축방향으로 그것과 정렬되는 극(pole)을 갖는 중앙 자석(central magnet), 및 타겟면 내에 또는 아래에 역극(recirprocal pole)을 갖는 주변 링-자석(peripheral ring-magnet)을 포함할 수 있다. 예상컨대 링-자석은 예를 들어, 링-자석의 내경이 타겟의 외경보다 작은 경우와 같이, 겹칠 때, 중앙 자석과 타겟의 적어도 일부를 감싸고, 그렇지 않으면 타겟을 전체적으로 감싸는 것이 바람직하다.
중앙 자석 및 링-자석 중 적어도 하나는 전자석 또는 영구 자석일 수 있다. 영구 자석이 사용될 때 각각의 자석은 한 조각으로 만들어지거나 영구 자석의 배열에 의해 만들어질 수 있는데, 예를 들어 링-자석과 같은 극성의 원형 배열로 배열될 수 있다.
링-자석의 자기 축(magnetic axis)은 중심 축(Z) 또는 평면(Z')에서 위쪽 방향으로 기울어질 수 있다. 반면에 중앙 자석의 축은 일반적으로 중심에 있고 축 Z에 평행하다.
본 발명의 다른 실시예에서, 링-자석은 2개의 전자기 코일(C2, C3)을 포함할 수 있고, 이에 의해 C3의 직경은 C2의 직경보다 더 크다. 이러한 코일은 별도의 코일 요크 또는 공통 코일 요크를 가질 수 있으며, 후술하는 바와 같이, 기계적으로 또는 단순히 자기적으로 주변 요크(peripheral yoke)에 연결될 수 있다.
임의의 실시예의 자기 가이드 시스템은 링-자석, 타겟 및 음극을 둘러싸는 주변 요크를 더 포함할 수 있고, 주변 요크는 철, 마르텐자이트 강(martensitic steel) 또는 이와 유사한 것과 같은 자화 가능한 재료로 만들어진다.
추가 실시예에서 자기 가이드 시스템은 타겟 표면의 중심에 또는 그 중심 주위에 배열된 중앙 리미터를 더 포함할 수 있으며, 중앙 리미터는 타겟에 대해 전기적으로 절연되고, 퀴리 온도 TC > 500℃, TC > 600℃, 또는 TC > 650℃를 갖는 자성 재료로 만들어진다. 각각의 재료는 예를 들어 순철(pure iron), 탄소 함량이 낮은 건축용 강(construction steel) 또는 Cr 함량이 10.5 mass% 이상인 페라이트계 내식강일 수 있다. 이러한 중앙 리미터는 20 내지 50 mm, 예를 들어 30 내지 40 mm의 폭 또는 직경을 가질 수 있고, 원형 타겟에 대해 디스크-형상 또는 링-형상으로 만들어질 수 있다.
중앙 리미터는 예를 들어 구속과 양극 중 적어도 하나가 타겟 표면을 돌출할 때, 타겟 표면 위로 0 내지 20 mm, 또는 5 내지 20 mm 또는 축방향 거리 h1 또는 h2까지 돌출될 수 있다.
대안으로, 중앙 리미터는 타겟 표면과 동일한 평면에 있을 수 있다. 중앙 리미터는 예를 들어 구속 및 양극 중 적어도 하나가 타겟 표면을 돌출할 때, 타겟 표면 위로 5 내지 20 mm 또는 축방향 거리(h1 또는 h2)로 돌출할 수 있다.
본 발명의 임의의 실시예에서 구속은 비자성 재료로 만들어질 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 활성 표면으로부터 전자 수용면의 최소 거리는 반경방향 거리(Δr14) 및 축방향 거리(h1 또는 h2)에 의해 한정된다.
본 발명은 또한 상술한 바와 같은 음극 아크 증발 장치를 포함하는 진공 챔버에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 양상은 상술한 바와 같은 음극 아크 증발 장치를 사용하여 진공 챔버에서 기판상에 코팅을 증착하는 방법에 관한 것으로, 여기서 자기 가이드 시스템을 사용하여 타겟 표면의 적어도 외부 영역에, 예각 α≤45°로 타겟 표면으로 들어가는 자력선이 형성되는 본질적으로 평행한 자계를 인가함으로써, 적어도 존 A 내의 타겟 표면 바로 위에 전자 트랩(electron trap)이 구축되고, 이에 의해 활성 표면이 형성된다. 본 발명의 방법은 활성 표면에서 음극 아크 방전을 점화 및 유지하는 단계를 더 포함하며, 이에 의해 아크 스폿은 반경방향 자계의 평행 성분에 의해 조정되고, 존 A는 타겟을 둘러싸는 플로팅 전위에 대한 구속에 의해 측면으로 범위가 제한된다. 타겟의 중심으로, 존 A는 타겟의 비활성 표면 영역이나 중앙 리미터에 의해 범위가 제한될 수 있다. 반면에 타겟으로부터 축방향으로, 존 A는 상부 경계선에서 구속에 들어가는 마지막 자력선(9)에 의해 제한될 수 있다.
본 발명의 방법은 타겟 표면으로부터 전자 수용면까지의 최대 축방향 거리로 주어진 약 거리 h3까지 존 A 위에 형성되는 존 B의 형성을 추가로 포함할 수 있다. 더 정확하게 말하면, 존 A에서 탈출할 수 있는 전자가, 양극을 향한 원형 경로의 여전히 존재하는 자계로 인해 이동할 수 있는 존 B는, 예를 들어, 여전히 위쪽 또는 최외곽 경계선의 구속에 들어가는, 마지막 자력선을 구성하는 자력선(9) 바로 다음에 이어지는 그의 가장 낮거나 최내측 경계선에서, 전자 수용면으로 들어가는 첫 번째 자력선(8')에서 시작하고, 예를 들어, 예컨대, 가장 높거나 최외곽 경계선에서 전자 수용면으로 들어가는 마지막 자력선(8)에 의해 위쪽으로 경계가 지정된다. 두 자력선은 중앙 자석 또는 중앙 리미터로부터 유래한다. 상기 존 B의 평균 자계 강도는 존 A의 평균 자계 강도보다 낮을 것이 자명하다. 그러나 바람직하게 존 B의 자계 강도와 자속은, 존 A에서 전자 트랩을 탈출할 수 있는 전자를 존 B를 측방향으로 제한하는 양극 쪽으로 효율적으로 구동하기 위해서, 필수적으로 0 초과, 예컨대, 5 내지 20 가우스일 수 있다. 양극에서 전자는 방전되어 플라즈마를 떠나고, 추가 이온화 또는 충돌 공정에 더 이상 사용할 수 없어, 공정 가스 또는 진공 챔버의 다른 부분을 가열한다. 따라서 양극에서의 열 부하는 기존의 아크 소스보다 필수적으로 더 높은데, 이는 양극의 직접 또는 간접 수냉식 및 구리 등과 같은 열전도성이 높은 음극 재료의 사용에 의해 관리될 수 있다.
그것으로 2개 이상의 부분으로 구성된 양극, 예를 들어 내부 양극링 연장부(anode ring extension)가 외부 수냉식 양극 본체에 단단히 끼워지는 양극이 사용될 수 있으며, 여기서 내부 링은 서비스 목적을 위해 쉽게 제거되거나 교체될 수 있다. 동시에 기판의 열 부하는 필수적으로 감소될 수 있는데, 한편으로는 공정 가스를 포함하는 질소 또는 산소와 같은 도달하는 반응성 분자의 대부분이 즉시 이온화되는 집중적으로 밝게 빛나는 아크 플라즈마(intensive brightly shining arc plasma)가 존 A로 제한되고, 진공 챔버로 확장되지 않기 때문이다. 이러한 밝게 빛나는 플라즈마는 소위 스퍼터 타겟의 소위 레이스트랙으로부터 알려진 것과 유사한 측면 분포(lateral distribution)를 가질 수 있다. 이로써 타겟 표면은, 예를 들어 질소와 산소를 포함하는 공정 가스가 동시에 사용되는 경우 완전히 반응하는데, 질화, 산화 또는 질화와 산화를 모두 진행한다. 이에 따라 이러한 화합물들의 높은 융점으로 인해 액상 금속 풀(liquid metal pools)의 바람직하지 않은 형성 및 이들의 아크 트랙의 "폭발적인" 증발은 효율적으로 억제될 수 있으며, 그렇지 않으면 코팅된 기판 표면에 높은 밀도의 방해하는 용융입자를 초래할 수 있다. 한편, 전자들의 열은 수냉식 양극에 의해 효율적으로 흡수된다. 양극과 타겟의 냉각수의 온도 차이를 측정하는 테스트는, 본 발명의 아크 증발 장치를 이용하는 경우에, 아크 소스에 의해 공급되는 공정 에너지의 80% 이상, 90% 이상 또는 심지어 95% 이상을 타겟과 양극의 각각의 냉각 회로에서 방출할 수 있음을 입증한다. 반면에 기존의 아크 소스를 사용하면 각 냉각 회로에 의해 열의 50% ~ 55%만 방출된다. 이것은 본 발명에 의하면 기판의 열 부하가 약 90% 감소하고 기판 온도가 150℃ ~ 350℃, 특히 150℃와 300℃ 사이는 기판을 별도로 냉각할 필요 없이 수행할 수 있다.
본 발명의 방법은 아크 소스와 코팅될 기판 표면 사이의 진공 챔버에서의 증착 공정과 관련하여 존 A 및 B 위에 형성된 존 C를 더 포함할 수 있으며, 여기서 자계는 매우 낮거나 0이고, 대기는 반응성 가스 분자와 양이온화된 금속 이온 및 양이온화된 반응 금속 이온 중 적어도 하나를 포함한다. 선택적으로, 대기는 적어도 하나의 불활성 기체 분자를 추가로 포함할 수 있다. 존 C의 이온화된 반응성 기체 분자의 비율은 존 A의 높은 이온화와 관련하여 매우 낮거나 무시할 수 있는 정도이다. 이에 의해 반응성 기체 분자와 양으로 이온화된 금속 이온 및/또는 양으로 이온화된 반응 금속 이온이 우세하며, 기판이 잠기는 반응성 대기의 적어도 80%, 예를 들어 95% 또는 심지어 99% 이상을 형성할 수 있다.
자계 강도와 거리 r4, h1 및/또는 h2에 의해 조정될 수 있는 플라즈마 저항처럼 작동하는 자기 가이드 시스템 및 플로팅 제한(floating confinement)의 도움으로 아크 소스의 방전 전압은, 20V와 50V 사이, 25V와 40V 사이 또는 30V와 35V 사이로 올릴 수 있는데, 타겟 표면 근처에서 작업 가스의 강한 이온화를 생성한다. 이것은 일반적으로 최대 10V에서 20V까지의 방전 전압으로 구동되는 공지의 아크 소스의 방전 전압보다 필수적으로 높다.
정리하면, 본 발명의 아크 소스의 사용에 의해, 기판의 표면 바로 위의 존 A로 제한된 높은 플라즈마 밀도로 증착 공정이 설계될 수 있으며, 이에 의해 반응성 공정 가스와 타겟 표면의 높은 반응이 제공될 수 있다. 존 B에서 전자는 진공 챔버의 자유 공간으로 이동하기 전에 효율적으로 제거될 수 있다. 동시에 존 A에서 나오는 반응성 가스 이온은 존 B 및/또는 양극 표면에서 재결합할 수 있다. 따라서 존 C는 필수적으로 자유 전자, 즉 분자 또는 금속 이온에 결합되지 않은 전자가 없으며 반응성 기체 이온 농도는 낮거나 0에 가깝다. 로딩된 입자와 관련하여 필수적으로 대부분 상대적으로 무거운 금속 이온(Men+) 및 금속 화합물 이온, 예를 들어 MeNn+ 및/또는 MeOn+는 존 C에서 검출될 수 있다. 존 C에서 로딩된 입자들은 기판 표면상에서 입사하는 금속 이온들 또는 금속 함유 이온들과 반응할 수 있는 반응성 가스 분자들과 함께 증착 재료를 제공한다. 전자들 및 질소 이온과 같은 다른 로딩된 종들은 대부분 존 A와 B로 제한되는데, 타겟 표면 근처의 존 A에서 고밀도로 제한된다.
이러한 플라즈마 변형은 소스를 하드 코팅의 저온 증착 및 열역학적 평형 상태에서 멀리 떨어진 화합물 조성을 증착하는 공정에 매우 적합하게 만든다. AlMeN의 예로서, 다른 화학양론적 조성의 AlMeO 또는 AlMeNO 화합물이 증착될 수 있으며, 여기서 Me는 Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W를 포함하는 전이금속 IV, V 또는 VI족(US: 4b, 5b, 6b족)의 하나 이상의 금속을 나타낸다. 이러한 코팅체의 예로서, 70% 및 80%의 알루미늄 농도까지의 순수 큐빅 페이스로 입방정계 TiAlN의 증착을 들 수 있다. 백분율은 (Al0.7Ti0.3)N 또는 (Al0.8Ti0.2)N과 같이 화합물의 금속 함량에 대해 제공된다. 반응성 원소는 금속 조성과 관련하여 화학양론적, 준-화학양론적 또는 초과-화학량론적 농도(over-stoichiometric)일 수 있다.
이하에서 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 소스(I)의 개략도이다. 도 1은 반경방향 폭, 즉 직경(r1)의 평면 타겟(3) 및 타겟을 둘러싸는 각각의 구속(4) 및 타겟과 구속을 감싸는 양극(2)을 도시한다. 타겟은 다각형, 예를 들어 직사각형 또는 원형일 수 있으며, Z는 타겟의 중심 평면 또는 축을 정의한다. 아래에서, 이해를 쉽게 하기 위해 원형 타겟을 참조하고, 도 3 및 4와 관련하여 링형 타겟을 참조하지만, 이러한 치수는 다른 평면 타겟, 즉 본 발명의 범위에 속하는 다른 형상의 증발될 편평한 표면을 갖는 타겟으로 쉽게 변환될 수 있다. 도 1의 아크 소스의 중첩된 구성으로 인해, 도 3과 도 4를 함께 참조하면, 예를 들어 구속이 타겟 표면을 몇 밀리미터(미도시) 돌출되어, 도면들에 도시된 바와 같이 측방향 대신에 상향으로 아크 소멸 거리 (arc distinguishing distance)를 형성할 때, 구속의 내경(r2)은 일반적으로 타겟(3)의 외경(r1)보다 크거나, 적어도 활성 타겟 표면(3')의 외경보다 크다. 이러한 거리, 여기에서 r2-r1은, 1.5~3 mm 범위에 있어야 하는데, 이는 타겟 표면에서 흐르는 전기 아크가 타겟과 구속 사이에 형성된 틈으로 들어가거나 구속 표면으로 연장되지 않도록 보장하기 위해서이다. 동시에 갭 내에서 바람직하지 않은 기생 플라즈마의 발생을 피할 수 있다. 유사한 거리가 도 4에 도시된 바와 같이 구속(4)의 외경(r3)과 양극의 내경(r4) 사이의 거리(r4-r3), 또는 도 2에 도시된 양극(3)에 대한 구속(4)의 각각의 축방향 거리(h2-h1) 또는 도 1에 점선으로 도시된 바와 같은 양극 형상(2"')의 변형에 대해서도 선택될 수 있다. 이로써 전기적으로 절연된 구속과 양극 사이의 바람직하지 않은 플라즈마 형성뿐만 아니라 전기적인 접촉이 효과적으로 방지될 수 있다.
자력선이 타겟 표면에 α≤45°의 예각으로 들어가는 영역, 소위 활성 표면(3')에서, 전기 아크가 점화되고 반경방향 자계에 의해 원형으로 조종될 수 있다. 이에 의해 강하게 빛나는 플라즈마(10)(이하 '반응성 가스 플라즈마'라고도 함)가 생성될 수 있고, 질소, 산소 또는 탄소 함유 가스와 같은 반응성 가스 분자들이 이 존으로 들어가서, 그의 원자, 각각 이온 성분으로 효과적으로 해리되어, 금속 활성 타겟 표면 또는 표면상에 흐르는 아크로부터 탈출하는 금속 이온들 또는 클러스터들과 반응하도록 돕는다. 이에 의해서 질화, 산화, 탄화 또는 혼합 반응성 가스를 사용한 공정과 같은 가능한 반응성 플라즈마 공정의 상당 부분이, 여전히 구속에 진입하는 마지막 자력선(9)과 타겟 표면(3), 특히 도 1 및 도 2에 도시된 외표면에 형성되는 활성 타겟 표면(3') 사이의 영역인 존 A 내의 타겟 표면에서 또는 그 근처에서 발생할 수 있다. 존 A는 전자들이 구속 벽(confinement wall)에서 반사되어, 자력선 9, 각각 8' 및 자력선 8 사이의 존 B에 도착했을 때에만 플라즈마로부터 탈출할 수 있기 때문에, 전자 트랩으로도 볼 수 있다. 이와 관련하여 자력선 8은 가장 높거나 최외곽 경계선에서 전자 수용면으로 들어가고, 자력선 8'은 자력선 9 바로 위의 가장 낮거나 최내측 경계선에서 전자 수용면으로 들어간다 (도 2 참조). 존 B에서 전자는 양극(2)에서 중화될 것이다. 양극(2)의 전자 수용면(2', 2", 2"')은 기하학적으로 상이하게 형성될 수 있는데, 예를 들어 단순히 원통형(2')을 형성되고/되거나 예를 들어, 점선 2"로 도시한 바와 같이 축 Z에 대해서 다르게 경사진 형태로 형성되거나, 도 1에서 2"'로 점선으로 도시한 바와 같이 구속(4)의 적어도 일부 위로 돌출하는 방식으로 형성될 수 있다. 양극에는 양극냉각 채널(6')이 더 제공되며, 이는 전용 또는 공통, 예를 들어 도면에 도시되지 않은 수냉 라인(water based cooling line)에 연결될 수 있다.
양극의 내면 및/또는 상면에 의해 정의된 전자 수용면과 유사하게, 구속(4)의 내면 및/또는 상면은 기하학적으로 상이하게, 예를 들어 단순히 원통형(4')으로, 및/또는 예를 들어 적어도 부분적으로 점선 4"로 나타낸 바와 같이 축 Z에 대해 다르게 경사지게 또는 점선 4"'로 도시한 바와 같이 타겟 표면에서 돌출되게 형성될 수 있다.
본 발명의 모든 아크 소스에는 도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서와 같이 타겟 표면의 적어도 외부 영역에 또는 도 3 및 도 4에 도시된 실시예에서와 같이 전체 타겟 표면에 걸쳐서, 필수적으로 평행한 타겟 표면 전방에 자계를 제공하도록 구성된 자기 가이드 시스템이 추가로 제공된다. 본원 명세서에서 '필수적으로 평행하다'는 것은 자력선이 활성 타겟 표면에 예각 α≤45°, 또는 α≤30° 또는 α≤25°으로 들어가는 것을 의미한다. 도 3 및 도 5에 예시적인 방식으로 도시된 그러한 자기 가이드 시스템은 또한 임의의 다른 실시예, 예를 들어 본 발명의 아크 소스의 실시예 1 및 2와 함께 사용될 수 있으며, 일반적으로 중앙 자석(14) 및 링-자석(15)을 포함할 것이다. 후자는 중앙 자석을 감싸고, 기능적으로 타겟(3)을 감쌀 수도 있다. 접지 전위의 강자성 주변 요크(ferro-magnetic peripheral yoke)(17)는 또한, 자계를 추가로 형성하기 위해, 예를 들어 반경방향으로 자력선의 연장을 제한하기 위해 임의의 실시예에서 도움이 될 수 있다.
도 2는 내경이 동일한 원통형 구속의 상부에 배열된 원통형 양극(2)을 갖는 아크 소스 II의 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 이 경우에 필수적으로 거리 h2만이 아크 소스의 방전 전압의 상승에 기여할 것이지만, 다른 도면에 도시된 바와 같은 임의의 다른 실시예에서는 축방향 거리 h1 또는 h2 및 반경방향 거리 r5-r2가 방전 전압의 상승에 기여할 것이다. 후자의 거리는 타겟과 구속 사이의 간격으로 줄어들기 때문에 도 2에서 거의 무시할 정도이다.
도면에 도시되지 않은 다른 실시예에서, 구속은 타겟 표면 레벨에서 타겟을 둘러싸는 링으로 형성되고, 양극은 동일한 레벨에서 타겟과 구속의 양자를 감싸는 링으로 형성된다. 이 경우 구속과 양극이 타겟 표면과 같은 높이로 배열될 때, 내부 구속 표면들(4', 4", 4"') 및 내부 전자 수용면이 각각의 상부 구속(upper confinement) 및 양극 표면으로 완전히 대체될 때, 필수적으로 반경방향 거리 r4-r1만이 아크 소스의 방전 전압 상승에 기여할 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 것과 유사한 아크 소스 III를 도시한다. 도 3의 아크 소스는 자기 축(Mc)이 중심축(Z)과 정렬되는 중앙 영구 자석(14)을 갖는 기본 자기 가이드 시스템을 구비한다. 반면에 링-자석(15)의 자기 축(Mr)은 중심축(Z) 또는 평면 Z에서 위쪽 방향으로 기울어진다. 자기 축(Mr)의 중심축(Z)에 대한 틸팅 각도는, 각각의 상황에 따라서 0°과 45 °사이, 예를 들어 5°와 30°사이일 수 있다. 그와 함께 또한, 자기 분할선(magnetic separatrix)도 영향을 받을 수 있고, 각각 기울어져 타겟 표면 위의 자력선의 더 평평하거나 더 평행한 코스에 도달할 수 있다. 이와 관련하여, 분할선은 한편으로는 하나의 극으로부터, 여기에서는 중앙 자석의 북극으로부터 흐르는 자력선과 링-자석의 남극에서 반대 극으로 흐르는 자력선들, 및 다른 한편으로는 링-자석의 하나의 극으로부터 동일한 링-자석의 반대 극으로 흐르는 자력선들 사이의 평면이다. 통상의 기술자들은 자극이 반대로 바뀔 수 있다는 것을 인식할 것이다. 일반적으로 접지 전위인 양극 전위의 강자성 주변 요크(17)는, 자력선을 타겟 표면 위에서 더 평행하게 만들고 전체 아크 소스를 측방향으로 감싸는 주변 요크 외측의 반경방향 자계를 차단하는 데에도 사용할 수 있다. 도 3을 참조하면, 중앙 자석(3)은 타겟 후면판(12) 바로 아래에 배열되며, 타겟 후면판은 전용으로 또는 공용으로, 예를 들어 도면에 도시되지 않은 수계 냉각 라인에 연결될 수 있는 타겟 냉각 채널을 포함한다. 대안으로, 중앙 자석은 또한 후면판(12) 내에, 예를 들어 냉각 채널(13) 내에 배치될 수 있다.
또한, 아래 도 4에 도시한 바와 같은 타입 III 또는 IV의 아크 소스는, 타겟(3) 내에 또는 타겟(3)의 중심에서 또는 그 안에 있는 전기 플로팅 전위의 강자성 중앙 리미터(16)를 포함한다. 따라서 요크(16)는, 적어도 하나의 전기 아이솔레이터(20)의 도움으로 탑재되는 부유 장착형 구속(floating mounted confinement) (4)과 유사하게, 세라믹과 같이 전기절연성이고 내열성인 재료의 아이솔레이터(19)에 장착된다. 중앙 리미터(16)와 타겟 사이의 갭은 위에서 구속(4)과 관련하여 언급한 바와 같이, 1.5~3 mm 범위이다.
상징적으로 도시된 중앙 리미터(16)의 도움으로, 자력선(fm)은 전체 타겟 표면(3')에 필수적으로 평행하게 형성될 수 있다. 이에 의해 또한 활성 타겟 표면(3")은 전체 표면(3')을 넘어서 확장될 수 있고, 이 경우에 표면 링을 넘어서 확장될 수 있다. 타겟 중앙의 높은 열 부하로 인해 임의의 실시예에 대한 임의의 중앙 리미터(16)는 바람직하게 600°를 넘는 퀴리 온도(TC)를 갖는 자성 재료로 만들어져야 한다. 이러한 재료의 투자율(permeability)(μr) 은 적어도 100 초과, 500 초과이어야 하고, 포화 자화는 0.3 Tesla 초과 또는 0.5 Tesla 초과이어야 한다. 그러한 재료들은 또한 낮은 잔류 자기(remanence)(Br)를 가져야 하며, 특히 아크의 자기 조종(magnetic steering)이 동적 자계를 포함해야 하는 경우, 예를 들어 자기 코일이 가변으로 구동되는 경우, 예를 들어 펄스화 전류 각각은 항전계 강도(coercive field strength)(HC)는 200 A/m 미만 또는 50 A/m 이하이어야 한다.
이러한 재료의 예로는 TC가 766℃인 ARMCO® 철과 같은 순철(pure iron), TC가 약 768℃인 S235 또는 S355 강과 같이 탄소 함량이 낮은 건축용 강, ASTM A838-02 (2007)에 따라 측정 시에 10.5% 초과, 예컨대, 17.25% 내지 18.25%의 높은 크롬 함량을 갖고, 0.30 내지 0.70 중량%의 낮은 Si 농도를 갖고, TC가 약 671℃이거나, TC가 약 660℃이고 1.00 내지 1.50 중량%의 높은 Si 농도를 갖는 강자성 내부식성 강이다. 주변 요크(17)의 자기 특성은 동일해야 하지만, 이 요크가 뜨거운 타겟 표면에서 떨어져 있기 때문에, 각각의 특성을 갖는 오스테나이트 강 및 훨씬 더 낮은 퀴리 온도를 갖는 다른 더 저렴한 자성 재료가 사용될 수 있다.
도 3에서와 같이, 강자성 중앙 리미터를 갖는 아크 소스가 도 4에 도시되어 있으며, 여기에서 개략적으로 도시된 진공 챔버(1) 내에 아크 소스(IV) 위에 장착된 기판(7)이 있다. 영구 자석을 사용하는 도 3의 타입 III의 아크 소스와 대조적으로 타입 IV의 아크 소스의 자기 가이드 시스템은 전자석(C1, C2, C3)을 사용하며, 자석(14)은 중앙 코일 요크(18)가 있는 전자기 코일(C1) 및 코일(C2, C3)과 외부 코일 요크(21)에 의해 구현되는 링-자석(15)에 의해 구현된다.
도 4는 전자기 가이드 시스템을 구비하는 본 발명의 다른 실시예의 아크 소스 타입 IV의 실현된 산업적 설정을 도시한 것이다. 이러한 아크 소스에서 자력선은 코일(C1, C2 및 C3)에 의해 형성되는, 자계들(HC1, HC2, HC3)의 중첩과 같은 시스템으로 생성될 수 있는 실제 자력선을 나타낸다. 여기서 중앙 자석(14)은 전자기 코일(C1)과 중앙 코일 요크(18)를 포함하고, 링-자석(15)은 전자기 코일(C2 및 C3)과, 외부 코일 요크(21)를 포함한다. 그러한 자계를 생성하기 위해서, 자기 축(Mr)과 링-자석(15)의 각각의 분할선은 C3 보다 C2에 고전류(IC2>IC3)를 인가함으로써 중심축(Z)으로부터 상향으로 틸트된다. 대안으로 그러한 효과는 서로 상이한 권선(N)(예컨대, NC2>NC3)으로 감긴 코일에 동일한 전류를 인가하여 얻을 수도 있다. 양극은 냉각 채널(6)을 갖는 양극 본체(25)와 내부 링형 연장부(26)를 갖는 투-파트 양극이다. 진공 씰(22)은 주위 대기에 대해서 그리고 냉각 회로(6, 13)로부터의 물에 대해 진공 챔버(1)를 실링한다. 기판(7)은 공지의 회전 방식으로 기판 지지체(미도시)상에 탑재될 수 있다. 존 A, B 및 C는 도시한 바와 같이 자력선 8 및 9에 의해 서로 대략 분리되어 있다. 이러한 구성으로 220 mm의 외경을 갖는 린 아크 소스(lean arc source)는 130 mm의 타겟 직경과 36 mm의 강자성 중앙 리미터를 갖는 것으로 구현될 수 있다. 타겟(3)의 후면으로부터 전자 수용면(2)의 상부 경계선까지의 전체 높이는 약 53 mm였다.
1000 mm의 코팅 높이를 제공하는 오를리콘(Oerlikon) 배치 코팅 장비를 사용하는 산업 환경에서 최대 24개의 타입 IV 아크 소스를, 각 열이 미터당 6개의 아크 소스를 포함하는 4열로 적층 방식으로 설치할 수 있어, 서로 상이한 기판에 AlMeN 및 AlMeNO 타입의 코팅이 높은 증착률 및 높은 알루미늄 함량으로 증착될 수 있다. 0에서 85%까지의 알루미늄 함량, 특히 70에서 85% 사이의 높은 알루미늄 농도로, 예를 들어 Ti 및 Cr 중 적어도 하나와 조합하여 순수한 입방체상 화합물이 증착될 수 있다. 이러한 장비의 챔버 직경은 1000 mm이며, 캐러셀 직경은 700 mm이고 챔버 높이는 2000 mm이다. 1-, 2- 및 3-중 회전으로 장착된 기판에서 가장 가까운 기판과 타겟 거리가 약 300 mm였다. 출원인의 Innova 및 Innoventa 타입의 시판되는 코팅 시스템에 대해서 유사한 테스트가 수행하여, 아래의 챔버 사이즈에 대해 산업상 이용가능성에 대해서 시험하였다: 챔버 직경 500-1200 mm, 캐러셀 직경 300-900 mm, 챔버 높이 1000-2000 mm, 사용가능한 코팅 높이 500-1500 mm.
다음으로, 본 발명의 아크 소스의 특정한 핵심 구성 요소들의 기하학적 데이터와 속성을 열거한다:
타겟: 각 재료 강도에 따라 직접 또는 접합된 후면판을 통해 냉각될 수 있다. 두 타입 모두 수냉식 양극 전극에 장착할 수 있다.
+ 원형 직경(DT), 60 mm ≤ DT = 2r1 ≤ 200 mm; 100 mm ≤ DT = 2r1 ≤ 150 mm;
+ 재료: 아크 증발에 적합한 모든 고체 재료.
· 구속(Confinement): 타겟과 양극 사이에 절연되어 장착되어 음극 타겟 전위와 양극 또는 접지된 양극 전위 사이의 전위가 음극 아크 공정 중에 유도된다.
+ 내경(DCI), 95 ≤ DCI = 2xr2 ≤155 mm; 예컨대, 132 mm
+ 반경방향 두께 (tCR)(r3-r2), 10≤tCR≤30 mm; 예컨대, 148 mm; 두께(tCR)는 아크 플라즈마에 노출될 수 있는 구속 링의 표면적만을 의미하는 반면, 구속 링의 전체 두께 연장(total thickness extension)은, 예를 들어, 양극 연장이 중첩되어 플라즈마와의 상호 작용에 대해 구속 링의 외부 부분을 보호할 때, 특정 아크 소스의 구성적 특징으로 인해 더 클 수 있다는 점을 언급해야 한다.
+ 활성 표면에서 구속 링의 상부 표면 또는 정점까지의 거리(h1)는 0(평면 구현예의 경우)≤h1≤20이고, 예컨대, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같은 원통형 및 결합된 구현예에 대한 바람직한 범위는, 10≤h1≤30이고, 예를 들어 15≤h1≤25이다;
+ 구속 링의 반경방향 거리는 적어도 타겟면에서 구속 링이 타겟을 둘러싸는 영역에서 일반적으로 거리(dD)= r3-r2 = r4-r5 = h2-h1로 정의되고, 유효한 범위는 1.5 mm ≤ dD ≤ 3 mm이다; 따라서 이 거리가 일반적인 공정 압력과 함께 암실 거리(dark room distance)를 준수하기 때문에 소스의 구성요소 사이의 기생 플라즈마 뿐만 아니라 구속으로의 아크 스폿의 연장이 방지된다.
+ 재료: 철, 탄소강 등과 같은 강자성 재료뿐만 아니라 스테인리스강과 같이 인접한 아크 방전의 높은 열 부하를 견딜 수 있을 만큼 충분히 높은 융점을 갖는 비자성 금속.
· 양극: 내부 수냉식은 양전위 또는 접지 전위로 설정된다.
전극 수용면의 내경을 한정하는 내경(DAI)은 80 mm≤DAI = 2×r4 ≤ 220 mm이고, 120 mm≤DAI = 2×r4≤ 170 mm이거나 약150 mm이다;
+ 반경방향의 두께(tAR), 10≤tAR≤40 mm;
+ 활성 표면에서 구속 링의 전자 수용면 또는 정점까지의 거리(h2)는 0(예컨대, 평면 구현예의 경우)≤h1≤50, 원통형 및 결합된 구현예의 경우, 바람직한 범위는 10≤h1≤35이다; h2는 구속이 양극 내에 수용될 때, 예를 들어 양극이 도 1 내지 도 3에 도시한 전자 수용면(2', 2")을 가질 때 h1과 동일할 수 있다.
+ 재질은 구리, 탄소강 또는 스테인리스강일 수 있다.
· 음극 어셈블리의 전체적인 기하학
+ 직경은 150 mm (예컨대, zylindric 수정의 경우)≤DSource≤290 ㎜(예컨대, 평면 변형의 경우) 또는 180 mm≤DSource≤260 mm의 범위 내이다.
· 자기 가이드 시스템은 적어도 활성 타겟 표면의 외부 영역 위 근처에서 높은 평행 성분을 갖는 자계를 생성한다. 상기 수단은 타겟의 후면, 예를 들어 음극 전극의 후면판에 배치되고 전극에 대해 전기적으로 절연된 가이드 시스템을 포함한다. 가이드 시스템은 타겟 표면 및/또는 주변 요크의 중심에 전기적으로 절연되어(플로팅 전위에 대해) 장착된 강자성 중앙 리미터에 의해 선택적으로 지원될 수 있다.
· 강자성 중앙 리미터(ferromagnetic central limiter):
+ 원형 직경(DY)은, 15 mm ≤ DY ≤50 mm; 예컨대, 36 mm이다.
+ 재질: 순철, 저탄소 함량의 건축강, 페라이트계 내식강, 자세한 내용은 이상 참조
· 본 발명의 소스에 의해 설정할 수 있는 자계는:
+ 적어도 활성 타겟 표면의 외부 영역에 대해 활성 타겟 표면과 그 근처에서 필수적으로 평행해야 한다.
+ 음극 아크 공정 동안 자속 밀도가 BA > BB > BC가 되는 3개의 존(A, B, C)을 형성해야 한다. 자세한 내용은 위 참조;
· 아크 소스 공급 장치는 방전 전류를 공급하는 DC 공급 장치일 수 있다(예컨대, 소스당 10~200A, 예컨대, 40~120A). 또는 펄스 아크 전원 또는 중첩된 펄스 전원이 있는 DC 전원을 사용할 수 있다.
12V와 20V 사이의 방전 전압으로 구동되는 본 발명이 속하는 기술분야의 소스와 달리, 본 발명의 소스는 본 발명의 아크 소스의 기하학, 재료 및 자기 수단으로 인해 존 A에 형성될 수 있는 전자 트랩의 고저항으로 인해서, 20V와 50V 사이, 예를 들어 25V와 40V 사이의 방전전압으로 구동된다.
마지막으로, 본 발명의 일 실시예, 예 또는 타입에서 언급된 특징들의 조합은 모순되지 않는 한 본 발명의 임의의 다른 구현예, 실시예, 또는 타입과 조합될 수 있음을 유의해야 한다.
구체적으로, 본 출원은 다음을 포함하는 음극 아크 증발 장치에 관한 것이다:
- 다음을 구비하는 음극(cathode)으로서의 타겟;
· 활성 타겟 표면인 증발될 재료의 전면-타겟 표면(front-target
surface),
· 전면-타겟 표면과 평행하지만 전면-타겟 표면에 대하여 반대쪽에
위치한 타겟 후면판과 면하는 후면-타겟 표면(back-target
surface),
· 전면-타겟 표면과 후면-타겟 표면을 연결하는 측면-타겟 표면
(side-target surface),
- 인접하여 위치하는, 바람직하게 측면-타겟 표면을 전부 또는 적어도 일부를 감싸는 전기 플로팅 구속(electrically floating confinement)으로서, 상기 구속은 내표면과 외표면을 포함하고, 여기서 측면-타겟 표면은 상기 구속의 외표면 보다 구속의 내표면에 더 가까운 전기 플로팅 구속 부재;
- 전자 수용면(electron receiving surface)으로 기능하는 내표면을 갖는 양극(anode)으로서의 전극,
- 전면-타겟 표면의 전방에 위치한 자력선을 포함하는 자계를 제공하도록 구성된 자기 가이드 시스템(magnetic guidance system),
여기서
- 상기 구속의 내표면은
· 전면-타겟 표면과 관련하여 수직 평면에서의 거리가 고려된다면,
전면-타겟 표면과 양극의 전자 수용면 사이에, 및/또는
· 전면-타겟 표면과 관련하여 수평 평면에서의 거리가 고려된다면,
측면-타겟 표면과 양극의 전자 수용면 사이에 위치되며, 및
- 자기 가이드 시스템은,
＊ 전면-타겟 표면을 나가서 구속 부재의 내표면에서 끝나는, 전방
타겟 표면의 전방에 위치된 자력선을 포함하는 제1 영역, 및
＊ 전면-타겟 표면을 나가서 양극의 전자 수용면에서 끝나는,
전면-타겟 표면 전방에 위치된 자력선을 포함하는 제2 영역의 두 개 이상의 자계 영역을 생성하도록 설계 및 조정되는 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
본 발명의 장치는 바람직하게 자력선들을 전면-타겟 표면의 면에 대해서 필수적으로 평행하게 만들기 위해 전면-타겟 표면을 나가는 자력선의 궤도를 수정하기 위해 전기적으로 플로팅하는 강자성 중앙 리미터(ferromagnetic central limiter)(16)를 포함한다.
본 발명은 본 발명의 음극 아크 증발 장치를 동작시키는 방법에 관계한다. 본 발명의 방법에서 진공 챔버 내에서 장치의 작동 동안에 3개의 플라즈마 존(zone), 즉 플라즈마 영역(region)이 생성되고, 여기서:
- 제1 플라즈마 존에서 전면-타겟 표면을 나와서 구속 부재의 내표면에서 끝나는 자력선으로 인해 양극에 접근하지 않고 자계를 횡단하는 전자를 포함하고,
- 제2 플라즈마 존, 여기서 전자들은 전면-타겟 표면을 나가서 양극의 전자 수용면에서 끝나는 자력선에 의해 양극으로 드리프트되고, 및
- 제3 플라즈마 존, 여기에는 전면-타겟 표면을 빠져나가 구속 부재의 내표면에서 끝나는 자력선도 없고 전면-타겟 표면을 나가서 전자 수용면에서 끝나는 자력선도 없고 어떠한 자력선도 존재하지 않는다.
상술한 본 발명의 방법 적용에 의한 전자 온도는 바람직하게,
- 제1 플라즈마 존의 전자 온도(electron temperature)는 1 eV와 5 eV 사이 이, 및
- 제2 플라즈마 존 및 제3 플라즈마 존에서의 전자 온도는 0.3 eV 내지 1 eV 사이이다.
바람직하게 본 발명의 방법은 반응성 가스가 진공 챔버에 도입되고 상기 장치가 반응성 가스가 진공 챔버에 도입되는 동안 작동되는 하나 이상의 단계를 포함하고, 상기 제1 플라즈마 존은 제2 플라즈마 존 및 제3 플라즈마 존보다 더 많은 반응성 가스 이온을 포함하고, 결과적으로 제1 플라즈마 존의 반응성 가스 이온 밀도는 제 2 및 제3 플라즈마 존의 반응성 가스 이온 밀도보다 높다.
본 발명의 방법의 바람직한 구현예에서, 타겟 또는 적어도 전면-타겟 표면은 금속 재료로 이루어지고, 반응성 가스는 타겟으로부터의 금속 재료와 반응하여 반응성 가스로부터의 원소 및 금속 재료로부터의 원소를 포함하는 층을 생성한다.
본 발명의 더 바람직한 구현예에 따라서 상기 타겟은 Ti 또는 Al 또는 Al과 Ti로 이루어지거나 이를 포함하고, 반응성 가스는 질소이거나 질소를 포함하여, 반응성 가스와 타겟으로부터의 금속 재료의 반응으로부터 생성되는 층이 각각 TiN 또는 AlN 또는 AlTiN으로 구성되거나 이를 포함하는 질화층이다.
본 발명의 더 바람직한 구현예에 따라서 상기 타겟 재료는 제3 플라즈마 존에 배치된 기판상의 코팅의 합성을 허용하는 농도로 Al 및 Ti로 구성되거나 이를 포함하고, AlxTi1-xN (x는 알루미늄의 원자 농도 분율이고, 여기서 x는 0.8)의 원자 조성을 갖는 입방정계 질화알루미늄으로 구성되거나 포함한다.
본 발명의 음극 아크 증발 장치의 더 구체적인 구현예에서, 장치는
- 음극 아크 공정에서 그로부터 재료가 증발될 수 있는 활성 표면(3")을 포함하는 타겟 표면(3')을 갖는 타겟(3);
- 타겟 표면(3')의 외부 경계선을 둘러싸는 구속(4);
- 적어도 하나의 타겟 표면에 활성 표면의 전방의 축방향 거리에 타겟(3)의 적어도 일부와 구속(4)을 감싸는 전자 수용면(2', 2", 2"' )을 갖는 양극(2);
- 타겟 표면의 적어도 외부 영역에 필수적으로 평행한 자계를 타겟 표면에 제공하도록 구성되는 자기 가이드 시스템으로서, 자력선이 타겟 표면에 평행하거나 예각 α로 기울어지도록 제공되며, 여기서 활성 표면(3")은 자력선이 예각 α≤45°로 타겟 표면에 들어가는 표면(3') 영역으로 정의되는 자기 가이드 시스템;
- 중심축 Z 또는 중심 평면(Z')을 포함하고;
여기서 구속(4)과 양극(2) 양자는 폐쇄된 기하학적 구조로 만들어지고 둘 다 서로에 대해서 및 타겟에 대해서 전기적으로 절연되며, 여기서 활성 표면(3") 으로부터 전자 수용면(2', 2", 2")까지의 최소 거리는, 타겟 표면(3')의 외부 경계선의 전자 수용면의 내부 경계선까지의 적어도 하나의 반경방향 거리(Δr14)에 의해 정의되며, 타겟 표면(3')의 외부 경계선은 타겟의 중앙으로부터 반경방향 거리 r1을 가지며, 전자 수용면의 내부 경계선은 타겟의 중앙으로부터 반경방향 거리 r4를 가지며, 타겟 표면(3')으로부터 구속의 상부 경계선까지의 축방향 거리 h1을 갖고, 타겟 표면(3')으로부터 전자 수용면(2', 2", 2"')의 하부 경계선까지의 축방향 거리 h2를 갖는다.
상술한 바람직한 구현예들 중 어느 하나의 장치는 바람직하게 필수적으로 평행한 자계가 활성 타겟 표면(3')으로부터 적어도 구속의 축방향 거리(h1, h2) 또는 전자 수용면까지 연장하고/하거나 타겟 표면 위 적어도 5~20 mm 높이까지 연장하도록 조정된다.
활성 타겟 표면 위의 존 A에서 자속 밀도의 세기(BA)는 20 내지 500 가우스이거나 또는 그보다 높게 설정될 수 있다.
구속은 자성 또는 비자성 재료로 만들어질 수 있다.
바람직하게 반경방향 거리(Δr14)는 5 ~ 30 mm이다.
바람직하게 장치의 중심으로부터 타겟 표면의 외부 경계선의 반경방향 거리(r1)는 40 내지 110 mm이다.
바람직하게 축방향 거리(h1, h2)는 0 내지 20 mm이다.
바람직하게 전자 수용면의 최대 축방향 거리(h3)는 10≤h3≤50이다.
상기 자기 가이드 시스템은 타겟의 후면의 중심 앞에 위치되고 타겟과 축방향으로 정렬되는 극(pole)을 갖는 중앙 자석(central magent), 및
타겟면 내 또는 아래에 역극(reciprocal-pole)을 갖는 주변 링-자석(peripheral ring magnet)을 포함하며, 예상되는 링-자석은 중앙 자석 및 타겟의 적어도 일부를 감싼다.
바람직하게 중앙 자석 및 링-자석 중 적어도 하나는 전자석 또는 영구 자석이다.
바람직하게 링-자석의 자기 축(magnetic axis)은 중심 축(Z) 또는 평면(Z')으로부터 위쪽 방향으로 기울어져 있다.
바람직하게 링-자석은 2개의 전자기 코일(C2, C3)을 포함하여, C3의 직경은 C2의 직경보다 크다.
더 바람직한 구현예에서, 자기 가이드 시스템은 링-자석, 타겟 및 양극을 감싸는 주변 요크(peripheral yoke)를 더 포함하고, 주변 요크는 자화 가능한 재료로 만들어질 수 있다.
바람직하게 자기 가이드 시스템은 타겟 표면의 중심 내에 또는 그 둘레에 배열된 중앙 리미터(central limiter)를 더 포함하고, 중앙 리미터는 타겟에 대해 전기적으로 절연되고 TC > 500℃의 퀴리온도를 갖는 자성 재료로 제조될 수 있다.
바람직한 구현예에서, 중앙 리미터는 타겟 표면 위로 0 내지 20 mm 돌출되거나 또는 축방향 거리 h1 또는 h2로 돌출할 수 있다.
더 바람직한 구현예에서, 중앙 리미터는 타겟 표면과 동일 평면에 있다.
바람직한 구현예에서 구속은 비자성 재료로 만들어진다.
추가의 바람직한 구현예에서, 활성 표면(3')으로부터 전자 수용면(2', 2", 2"')까지의 최소 거리는 반경방향 거리(Δr14) 및 축방향 거리(h1 또는 h2)에 의해 정의된다.
본 발명은 상술한 본 발명의 어느 하나의 구현예에 의한 음극 아크 증발 장치를 포함하는 진공 챔버에 관계한다.
본 발명은 청구항 제1항 내지 제18항의 음극 아크 증발 장치를 이용하여 진공 챔버 내에서 기판상에 코팅을 증착하는 방법에도 관계한다. 본 발명의 방법에서 자기 가이드 시스템을 사용하여 타겟 표면(3)의 적어도 외부 영역까지, 예각 α≤45°로 타겟 표면에 입사하는 자력선을 갖는 필수적으로 평행한 자계를 인가함으로써 존 A 내에서 타겟 표면 바로 위에 전자 트랩을 확립하여, 활성 표면(3")을 형성하고, 음극 아크 증발이 활성 표면 위에서 점화되고 유지되며, 이때 존 A는 플로팅 전위에 대한 구속에 의해 측면으로 제한된다.
바람직하게 존 B가 타겟 표면으로부터 전자 수용면의 최대 축방향 거리에 의해 주어진 대략 축방향 거리 h3까지 존 A 위에 형성된다.
바람직하게 존 C가 존 A 및 B 위에 형성되고, 자계가 매우 낮거나 0이고, 대기가 반응성 가스 분자 및 양으로 이온화된 금속 이온 및 양으로 이온화된 반응 금속 이온 가운데 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 방법의 바람직한 구현예에서 음극 아크 방전은 20V 내지 50V의 방전 전압에서 유지된다.
본 발명의 방법의 바람직한 구현예에서 코팅은 AlMeN, AlMeO 또는 AlMeNO 화합물이고, 여기서 Me는 전이금속 족 IV, V 또는 VI족의 하나 이상의 금속을 나타낸다.
본 발명은 상술한 본 발명의 구현예들 가운데 어느 하나에 따른 증착 공정에 의해 코팅된 기판을 제조하는 방법에도 관계한다.
바람직한 구현예에서, 기판은 도구 또는 부품일 수 있다.
1: 진공 챔버
2: 양극
2', 2", 2"': 양극의 전자 수용면
3: 타겟
3': 타겟 표면
3": 활성 타겟 표면
4: 전기 플로팅 전위의 구속(confinement)
4', 4", 4"': 구속의 내표면
5: 아크 방전 공급장치
6: 냉각 채널 양극
7: 기판(바이어스된/바이어스되지 않은)
8, 8': 양극으로의 자력선
9: 구속으로의 자력선
10: 가스 플라즈마
11: 가스 주입구(N2, O2, CH4, C2H2, Ar)
12: 타겟 후면판
13: 냉각 채널 후면판
14: 중앙 자석
15: 링-자석
16: 전기적으로 플로팅하는 강자성 중앙 리미터
17: 접지 전위의 강자성 주변 요크
18: 중앙 코일 요크
19: 중앙 리미터용 아이솔레이터
20: 구속용 아이솔레이터
21: 외부 코일 요크
22: 실(seal)
23: 타겟용 전기 아이솔레이터
24: 양극 베이스
25: 양극 연장
26: 챔버의 일부 또는 챔버의 구성요소 또는 챔버 내, 예를 들어 바람직하게 양극에 전기적으로 연결되어 동일한 전위에 있는 플랜지 또는 플랜지의 일부
C1, C2, C3: 전자기 코일 1, 2, 3
h1: 활성 표면(3')으로부터 구속(4)의 상부 경계선까지의 축방향 거리;
h2: 활성 표면(3')에서 전자 수용면(2', 2", 2"')의 하부 경계선까지의 축방향 거리로서, h1과 동일할 수 있다(예컨대, 도 2 참조, 좌측 전자 수용면(2', 2", 2''');
h3: 활성 표면(3')으로부터 전자 수용면(2', 2", 2"')의 상부 경계선까지의 축방향 거리;
M: 자기 축
r1: 원형 타겟(3)의 경우 중심축으로부터의 반경방향 거리이고 또는 다각형, 예를 들어 직사각형 타겟(3)의 경우 중심 평면으로부터의 반경방향 거리임;
r2: 중심축/평면에서 구속(4)의 내경/내부 경계선까지의 반경방향 거리;
r3: 중심축/평면에서 구속(4)의 외경/외부 경계선까지의 반경방향 거리;
r4: 중심 축/평면에서 전자 수용면(2', 2", 2"')의 내경/내부 경계선까지의 반경방향 거리;
r5: 중심 축/평면에서 전자 수용면(2', 2", 2"')의 외경/외부 경계선까지의 반경방향 거리;
r6: 중심축/평면에서 아크 소스의 외부 경계선까지의 반경방향 거리;
z: 다각형, 각각 원형 타겟에 대한 중심 평면 또는 축

Claims (35)

  1. 다음을 포함하는 음극 아크 증발 장치(cathodic arc evaporation apparatus):
    - 다음을 갖는 음극(cathode)으로서의 타겟;
    · 활성 타겟 표면인 증발될 재료의 전면-타겟 표면(front-target
    surface),
    · 전면-타겟 표면과 평행하지만 전면-타겟 표면에 대하여 반대쪽에
    위치한 타겟 후면판과 면하는 후면-타겟 표면(back-target
    surface),
    · 전면-타겟 표면과 후면-타겟 표면을 연결하는 측면-타겟 표면
    (side-target surface),
    - 인접하여 위치하는, 바람직하게 측면-타겟 표면을 전부 또는 적어도 일부를 감싸는 전기 플로팅 구속(electrically floating confinement)으로서, 상기 구속은 내표면과 외표면을 포함하고, 여기서 측면-타겟 표면은 상기 구속의 외표면 보다 구속의 내표면에 더 가까운 전기 플로팅 구속 부재;
    - 전자 수용면(electron receiving surface)으로 기능하는 내표면을 갖는 양극(anode)으로서의 전극,
    - 전면-타겟 표면의 전방에 위치한 자력선을 포함하는 자계를 제공하도록 구성된 자기 가이드 시스템(magnetic guidance system),
    여기서
    - 구속 부재의 내표면은
    · 전면-타겟 표면과 관련하여 수직 평면에서의 거리가 고려된다면,
    전면-타겟 표면과 양극의 전자 수용면 사이에, 및/또는
    · 전면-타겟 표면과 관련하여 수평 평면에서의 거리가 고려된다면,
    측면-타겟 표면과 양극의 전자 수용면 사이에 위치되며,
    - 자기 가이드 시스템은,
    · 전면-타겟 표면을 나가서 구속 부재의 내표면에서 끝나는, 전방
    타겟 표면의 전방에 위치된 자력선을 포함하는 제1 영역, 및
    · 전면-타겟 표면을 나가서 양극의 전자 수용면에서 끝나는,
    전면-타겟 표면 전방에 위치된 자력선을 포함하는 제2 영역의 두 개 이상의 자계 영역을 생성하도록 설계 및 조정되는 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 장치는 자력선들을 전면-타겟 표면의 면에 대해서 필수적으로 평행하게 만들기 위해 전면-타겟 표면을 나가는 자력선의 궤도를 변경하기 위해 전기적으로 플로팅하는 강자성 중앙 리미터(ferromagnetic central limiter)(16)를 포함하는 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
  3. 제1항 또는 제2항의 음극 아크 증발 장치의 동작 방법으로서, 진공 챔버 내에서 장치의 작동 동안에 3개의 플라즈마 존(zone), 즉 플라즈마 영역(region)이 생성되고, 여기서:
    - 제1 플라즈마 존에서 전면-타겟 표면을 나와서 구속 부재의 내표면에서 끝나는 자력선으로 인해 양극에 접근하지 않고 자계를 횡단하는 전자를 포함하고,
    - 제2 플라즈마 존, 여기서는 전자들은 전면-타겟 표면을 나가서 양극의 전자 수용면에서 끝나는 자력선에 의해 양극으로 드리프트되고, 및
    - 제3 플라즈마 존, 여기서는 전면-타겟 표면을 빠져나가 구속 부재의 내표면에서 끝나는 자력선도 없고 전면-타겟 표면을 나가서 전자 수용면에서 끝나는 자력선도 없고 어떠한 자력선도 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치의 동작 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    - 제1 플라즈마 존의 전자 온도(electron temperature)는 1 eV와 5 eV 사이 이고,
    - 제2 플라즈마 존 및 제3 플라즈마 존에서의 전자 온도는 0.3 eV 내지 1 eV 사이인 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치의 동작 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 방법은 반응성 가스가 진공 챔버에 도입되고 상기 장치가 반응성 가스가 진공 챔버에 도입되는 동안 작동되는 하나 이상의 단계를 포함하고, 상기 제1 플라즈마 존은 제2 플라즈마 존 및 제3 플라즈마 존보다 더 많은 반응성 가스 이온을 포함하고, 결과적으로 제1 플라즈마 존의 반응성 가스 이온 밀도는 제2 및 제3 플라즈마 존의 반응성 가스 이온 밀도보다 높은 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치의 동작 방법.
  6. 제5항에 있어서, 타겟 또는 적어도 전면-타겟 표면은 금속 재료로 이루어지고, 반응성 가스는 타겟으로부터의 금속 재료와 반응하여 반응성 가스로부터의 원소 및 금속 재료로부터의 원소를 포함하는 층을 생성하는 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치의 동작 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 타겟은 Ti 또는 Al 또는 Al과 Ti로 이루어지거나 이를 포함하고, 반응성 가스는 질소이거나 질소를 포함하여, 반응성 가스와 타겟으로부터의 금속 재료의 반응으로부터 생성되는 층이 각각 TiN 또는 AlN 또는 AlTiN으로 구성되거나 이를 포함하는 질화층인 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치의 동작 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 타겟 재료는 제3 플라즈마 존에 위치된 기판상의 코팅의 합성을 허용하는 농도로 Al 및 Ti로 구성되거나 이를 포함하고, AlxTi1-xN (x는 알루미늄의 원자 농도 분율이고, 여기서 x는 0.8)의 원자 농도 분포를 갖는 입방정계 질화알루미늄으로 구성되거나 포함하는 음극 아크 증발 장치의 동작 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 음극 아크 공정에서 그로부터 재료가 증발될 수 있는 활성 표면(3")을 포함하는 타겟 표면(3')을 갖는 타겟(3);
    - 타겟 표면(3')의 외부 경계선을 둘러싸는 구속(4);
    - 적어도 하나의 타겟 표면에서 활성 표면의 전방의 축방향 거리에 적어도 하나의 타겟(3)과 구속(4)을 감싸는 전자 수용면(2', 2", 2"' )을 갖는 양극(2);
    - 타겟 표면의 적어도 외부 영역에 필수적으로 평행한 자계를 타겟 표면에 제공하도록 구성되는 자기 가이드 시스템으로서, 자력선이 타겟 표면에 평행하거나 예각 α로 기울어지도록 제공되며, 여기서 활성 표면(3")은 자력선이 예각 α≤45°로 타겟 표면에 들어가는 표면(3') 영역으로 정의되는 자기 가이드 시스템;
    - 중심축 Z 또는 중심 평면(Z');
    여기서 구속(4)과 양극(2) 양자는 폐쇄된 기하학적 구조로 만들어지고 둘 다 서로에 대해서 및 타겟에 대해서 전기적으로 절연되며, 여기서 활성 표면(3") 으로부터 전자 수용면(2', 2", 2")까지의 최소 거리는, 타겟 표면(3')의 외부 경계선의 전자 수용면의 내부 경계선까지의 적어도 하나의 반경방향 거리(Δr14)에 의해 정의되며, 타겟 표면(3')의 외부 경계선은 타겟의 중앙으로부터 반경방향 거리 r1을 가지며, 전자 수용면의 내부 경계선은 타겟의 중앙으로부터 반경방향 거리 r4를 가지며, 타겟 표면(3')으로부터 구속의 상부 경계선까지의 축방향 거리 h1을 갖고, 타겟 표면(3')으로부터 전자 수용면(2', 2", 2"')의 하부 경계선까지의 축방향 거리 h2를 갖는 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
  10. 다음을 포함하는 음극 아크 증발 장치:
    · 음극 아크 공정에서 그로부터 재료가 증발될 수 있는 활성 표면(3")을 포함하는 타겟 표면(3')을 갖는 타겟(3);
    · 타겟 표면(3')의 외부 경계선을 둘러싸는 구속(4);
    · 적어도 하나의 타겟 표면에서 활성 표면의 전방의 축방향 거리에 적어도 하나의 타겟(3)과 구속(4)을 감싸는 전자 수용면(2', 2", 2"' )을 갖는 양극(2);
    · 타겟 표면의 적어도 외부 영역에 필수적으로 평행한 자계를 타겟 표면에 제공하도록 구성되는 자기 가이드 시스템으로서, 자력선이 타겟 표면에 평행하거나 예각 α로 기울어지도록 제공되며, 여기서 활성 표면(3")은 자력선이 예각 α≤45°로 타겟 표면에 들어가는 표면(3') 영역으로 정의되는 자기 가이드 시스템;
    · 중심축 Z 또는 중심 평면(Z');
    · 여기서 구속(4)과 양극(2) 양자는 폐쇄된 기하학적 구조로 만들어지고 둘 다 서로에 대해서 및 타겟에 대해서 전기적으로 절연되며, 여기서 활성 표면(3") 으로부터 전자 수용면(2', 2", 2")의 최소 거리는, 타겟 표면(3')의 외부 경계선의 전자 수용면의 내부 경계선까지의 적어도 하나의 반경방향 거리(Δr14)에 의해 정의되며, 타겟 표면(3')의 외부 경계선은 타겟의 중앙으로부터 반경방향 거리 r1을 가지며, 전자 수용면의 내부 경계선은 타겟의 중앙으로부터 반경방향 거리 r4를 가지며, 타겟 표면(3')으로부터 구속의 상부 경계선까지의 축방향 거리 h1을 갖고, 타겟 표면(3')으로부터 전자 수용면(2', 2", 2"')의 하부 경계선까지의 축방향 거리 h2를 갖는 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
  11. 제1항 내지 제2항 또는 제9항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 필수적으로 평행한 자계는 활성 타겟 표면(3')으로부터 적어도 구속의 축방향 거리(h1, h2) 및/또는 전자 수용면까지 연장하고/하거나 타겟 표면 위 적어도 5~20 mm 높이까지 연장하는 것을 특징으로 음극 아크 증발 장치.
  12. 제1항 내지 제2항 또는 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    활성 타겟 표면 위의 존 A에서 자속 밀도의 세기 (BA)는 20 내지 500 가우스이거나 또는 그보다 높게 설정될 수 있는 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
  13. 제1항 내지 제2항 또는 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 구속은 자성 또는 비자성 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
  14. 제1항 내지 제2항 또는 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 반경방향 거리(Δr14)가 5 ~ 30 mm인 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
  15. 제1항 내지 제2항 또는 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 장치의 중심으로부터 타겟 표면의 외부 경계선의 반경방향 거리(r1)는 40 내지 110 mm인 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
  16. 제1항 내지 제2항 또는 제9항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 축방향 거리(h1, h2)가 0 내지 20 mm인 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
  17. 제1항 내지 제2항 또는 제9항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 전자 수용면의 최대 축방향 거리(h3)는 10≤h3≤50인 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
  18. 제1항 내지 제2항 또는 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자기 가이드 시스템은 타겟의 후면의 중심 앞에 위치되고 타겟과 축방향으로 정렬되는 극(pole)을 갖는 중앙 자석(central magent), 및
    타겟면 내 또는 아래에 역극(reciprocal-pole)을 갖는 주변 링-자석(peripheral ring magnet)을 포함하며, 예상되는 링-자석은 중앙 자석 및 타겟의 적어도 일부를 감싸는 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
  19. 제18항에 있어서, 중앙 자석 및 링-자석 중 적어도 하나는 전자석 또는 영구 자석인 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
  20. 제18항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 링-자석의 자기 축은 중심 축(Z) 또는 중심 평면(Z')으로부터 위쪽 방향으로 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
  21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 링-자석은 2개의 전자기 코일(C2, C3)을 포함하여, C3의 직경은 C2의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
  22. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 자기 가이드 시스템은 링-자석, 타겟 및 양극을 감싸는 주변 요크(peripheral yoke)를 더 포함하고, 주변 요크는 자화 가능한 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
  23. 제18항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 자기 가이드 시스템은 타겟 표면의 중심 내에 또는 그 둘레에 배열된 중앙 리미터(central limiter)를 더 포함하고, 중앙 리미터는 타겟에 대해 전기적으로 절연되고 TC > 500℃의 퀴리 온도를 갖는 자성 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
  24. 제23항에 있어서, 중앙 리미터는 타겟 표면 위로 0 내지 20 mm 돌출되거나 또는 축방향 거리 h1 또는 h2까지 돌출하는 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
  25. 제23항에 있어서, 중앙 리미터는 타겟 표면과 동일 평면(in a plane)에 있는 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
  26. 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 구속은 비자성 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
  27. 제1항 내지 제2항 또는 제9항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 활성 표면(3')으로부터 전자 수용면(2', 2", 2"')의 최소 거리는 반경방향 거리(Δr14) 및 축방향 거리(h1 또는 h2)에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 음극 아크 증발 장치.
  28. 제1항 내지 제2항 또는 제9항 내지 제27항 중 어느 한 항에 따른 음극 아크 증발 장치를 포함하는 진공 챔버.
  29. 제1항 내지 제2항 또는 제9항 내지 제27항 중 어느 한 항에 따른 음극 아크 증발 장치를 이용하여 진공 챔버 내에서 기판 상에 코팅을 증착하는 방법으로서,
    자기 가이드 시스템을 사용하여 타겟 표면(3)의 적어도 외부 영역까지, 예각 α≤45°로 타겟 표면에 입사하는 자력선을 갖는 필수적으로 평행한 자계를 인가함으로써 존 A 내에서 타겟 표면 바로 위에 전자 트랩을 확립하여, 활성 표면(3")을 형성하고, 음극 아크 증발이 활성 표면 위에서 점화되고 유지되며, 이때 존 A는 플로팅 전위에 대한 구속에 의해 측면으로 제한되는 기판 상의 코팅 형성 방법.
  30. 제29항에 있어서, 존 B가 타겟 표면으로부터 전자 수용면의 최대 축방향 거리에 의해 주어진 대략 축방향 거리 h3까지 존 A 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제29항 또는 제30항에 있어서, 존 C가 존 A 및 B 위에 형성되고, 자계가 매우 낮거나 0이고, 대기가 반응성 가스 분자 및 양으로 이온화된 금속 이온 및 양으로 이온화된 반응 금속 이온 가운데 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제29항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 음극 아크 방전이 20V 내지 50V의 방전 전압으로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제29항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 코팅이 AlMeN, AlMeO 또는 AlMeNO 화합물이고, 여기서 Me는 전이금속 족 IV, V 또는 VI족의 하나 이상의 금속을 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제29항 내지 제33항 중 어느 한 항에 따른 증착 공정에 의해 코팅 기판을 제조하는 방법.
  35. 제24항에 있어서, 기판이 도구 또는 부품인 것을 특징으로 하는 방법.
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