KR20240021300A - 중공 물품의 내부 표면을 코팅하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents
중공 물품의 내부 표면을 코팅하기 위한 장치 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 중공 물품(1)의 내부 표면 상에 코팅을 형성하고 그리고/또는 내부 표면의 특성들을 수정하기 위한 장치에 관한 것으로, 여기서 장치는 플라즈마 소스(2)를 포함하고, 플라즈마 소스(2)는 세장형 형상을 갖고 캐소드(cathode)(3)뿐만 아니라 타깃(target)(4)을 포함하고, 여기서 타깃(4)은 열이온 전자 방출 소스이고, 여기서 타깃(4)은 전기 도전성 방식으로 캐소드(3)에 연결되고, 여기서 플라즈마 소스(2)는 캐소드(3)와 타깃(4)의 외부 표면을 부분적으로 덮는 마스킹(5)을 더 포함하고, 이 마스킹(5)은 장치의 작동 동안 마스킹(5)에 의해 덮이는 영역 상에서 플라즈마의 형성을 방지하도록 구성되고, 여기서 플라즈마 형성 영역(6)이 타깃(4) 상에 제공되고, 이 플라즈마 형성 영역(6)은 마스킹(5)에 의해 덮이지 않는다. 추가로 본 발명은 타깃(4), 장치의 배열, 방법뿐만 아니라 중공 물품(1)에 관한 것이다.
Description
본 발명은 중공 물품(hollow article)의 내부 표면 상에 코팅(coating)을 형성하고 그리고/또는 내부 표면의 특성들을 수정하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 추가로 그러한 장치에 사용하기 위한 타깃(target), 중공 물품과 그러한 장치의 배열(arrangement), 방법뿐만 아니라, 중공 물품에 관한 것이다.
공동(cavity)들 내부와 작업편들의 내부 표면들 상에서의 코팅의 제조는 산업적으로 관련성이 높은 공정이다. 예를 들어 표면의 내마모성, 내피로성, 내산화성 및/또는 내부식성을 증가시키기 위해 이러한 내부 표면들 상의 코팅들이 필요해질 수 있다. 내부 표면들 상에 향상된 표면 특성들을 요구하는 일반적인 애플리케이션(application)들은 파이프(pipe)들, 배럴(barrel)들, 하우징(housing)들, 밸브들, 충격 흡수 장치들, 유압 액츄에이터(hydraulic actuator)들, 성형 도구들, 성형 장비들, 노즐(nozzle)들, 탱크(tank)들 및 열 교환기들이다.
많은 경우들에서, 이러한 코팅들은 크롬 도금과 같은 전기화학 또는 화학 공정들에 의해 생산된다. 이들 기술들의 단점은 심각한 안전, 건강 및 환경 위험들을 제기하는 많은 화학 물질들에 대한 그들의 의존성이다. 특히, 내부 표면들 상의 가장 일반적인 코팅은 보통 발암성 Cr(VI) 화합물들로부터 파생되는 금속 크롬 기반 코팅(coating based on metallic chromium)이다.
이러한 유형들의 화학 물질들에 대한 법적 제한으로 인해 다양한 대체적인 기술들이 알려져 있다. 그것들은 레이저 비임 증발(laser beam evaporation), 가스 분사(gas spraying), 납땜 공정들, 폭발적 증발 또는 가스 전구체(gaseous precursor)들을 사용한 중공 캐소드 방전(hollow cathode discharge)에 기반한 플라즈마(plasma) 기술을 포함한다.
내부 표면들 상에 코팅들을 생산하기 위해 통상적으로 적용되는 또 다른 방법은 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition)(CVD)이지만, 이 기술은 많은 구성 요소 재료들에 적합하지 않은 높은 공정 온도들을 필요로 한다.
구성 요소들 상에 코팅들을 생산하는 전형적인 산업적으로 적용되는 방법은 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition)(PVD)이다. 물리 기상 증착 공정들은 스퍼터링(sputtering), 캐소드 아크 증발(cathodic arc evaporation), 열 증발 또는 전자 비임 증발(electron beam evaporation)을 포함하는 몇몇의 서로 다른 기술들로 실현될 수 있다. 물리 기상 증착 공정들을 실현하기 위한 일반적인 설정은 기판들(예컨대, 도구들 또는 구성 요소들과 작업편들)을 기판 홀더(substrate holder)에 배치하는 것이고, 기판 홀더는 나중에 진공 챔버(vacuum chamber) 내에 도입되어 코팅 소스(coating source)[종종 플라즈마 소스(plasma source)로도 지칭됨]의 정면으로 회전되거나 이동된다. 전형적으로, 코팅 소스는 진공 챔버의 벽들, 천장 또는 바닥에 통합된다. 이러한 산업적으로 적용되는 물리 기상 증착 기술들의 주요 단점은 시선 기반(line-of-sight-based) 공정들이고 따라서 상당한 깊이를 갖는 공동들 내부에 코팅들을 증착할 수 없다는 것이다.
따라서, 언급된 기술들 중 어느 것도 저비용, 강건성, 공정 온도, 다양성, 코팅 특성들, 작업편 치수들에 대한 산업계 요구 사항들을 완전히 충족하지 못하거나, 건강 및 환경적인 위험들로 인해 적합하지 않다.
따라서 본 발명의 목적은 위에서 언급된 종래 기술의 단점들 중 적어도 하나의 단점을 극복하는 데 있다고 보여질 수 있다. 본 발명의 특별한 목적은 중공 물품의 내부 표면 상에 코팅 재료들의 경제적인 증착을 위해 적합한 장치 및/또는 방법을 제공하는 데 있다고 보여질 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 증착 공정은 제어되고 공간적으로 한정된 방식으로 수행되어야 한다. 본 발명의 추가적인 목적들은 중공 물품의 내부 표면 및 공동들 내부에 코팅을 제조하기 위한 기술을 위한 새로운 산업 친화적인 해결책을 제공하는 데 있다고 보여질 수 있다.
위의 목적들 중 적어도 하나의 목적은 본 발명에 의해 해결될 수 있다.
본 발명에 따르면, 공동들 내부에 도달할 수 있고 그리고/또는 코팅 재료의 플럭스(flux)를 중공 물품의 공동들 내로 편향시킬 수 있는 플라즈마 소스가 제공될 수 있다. 더욱이, 중공 물품의 내부 표면 상에 재료의 증착 공정을 용이하게 하는 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 맥락에서, 중공 물품은 내부 표면을 포함하는 임의의 물품일 수 있다. 중공 물품들의 예들은 관(tube)들, 파이프들, 중공 샤프트(hollow shaft)들 등이다. 중공 물품의 내부 표면은 특히 중공 물품 내로 연장되는 개구부의 표면일 수 있다. 내부 표면들에 대한 비제한적인 예들은 시추공들의 내부 표면들, 또는 파이프들, 관들, 중공 샤프트들 등의 내부 직경 표면들을 따라 연장되는 그들의 표면들이다.
본 발명의 장치는 캐소드(cathode)와 타깃(target)을 포함할 수 있는 플라즈마 소스를 포함한다. 캐소드의 일 목적은 중공 물품의 내부 표면 상의 목표 영역(targeted area) 근처에 플라즈마를 전달하는 것이다.
본 발명에 따르면, 장치는 캐소드 및 타깃의 외부 표면을 부분적으로 덮는 마스킹(masking)을 더 포함할 수 있다. 마스킹의 일 목적은 캐소드와 타깃 주위의 임의의 원치 않는 기생 방전들을 제거하는 것이다. 따라서, 마스킹은 플라즈마의 국한된 형성에 유리할 수 있어, 잘 한정된 재료 증착으로 이어질 수 있다.
본 발명 장치의 플라즈마 소스는 전원 공급 유닛(power supply unit)에 연결될 수 있다. 전원 공급 유닛은 특히 플라즈마 소스에 전기 에너지를 공급하도록 구성될 수 있다. 전원 공급 유닛은 특히 플라즈마 소스에 직류(direct current) 및 펄스 전류(pulsed current)를 공급하도록 구성될 수 있고 그리고/또는 플라즈마 소스에 공급되는 전류를 제어하도록 구성되는 제어 유닛을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 타깃과 캐소드가 플라즈마를 형성하는데 적합한 한, 타깃과 캐소드의 기하학적 형태(geometry)와 특성들은 특별히 제한되지 않는다. 특히, 타깃은 열이온 방출 소스(thermionic emission source)가 되도록 구성되어야 한다. 캐소드와 타깃은 동일한 재료로 제조되어 하나의 일체형 부분으로서 형성될 수 있다. 대안적으로, 타깃과 캐소드는 전기 도전성 방식으로 연결된 별도의 부분들일 수 있다. 후자의 경우, 타깃과 캐소드의 재료들이 서로 다를 수 있다.
마스킹은 캐소드 및/또는 타깃의 외부 표면을 부분적으로 덮는 것으로 제공될 수 있다. 특히, 마스킹은 마스킹에 의해 덮이는 캐소드 및 타깃의 영역들 상에 플라즈마가 형성되는 것을 방지할 수 있다.
타깃의 특정 영역이 마스킹에 의해 덮이지 않은 것으로 제공될 수 있다. 이 영역은 플라즈마 형성 영역으로 지칭될 수 있다. 따라서 플라즈마는 플라즈마 형성 영역에서만 형성될 수 있다.
따라서 플라즈마 소스는 적어도 캐소드, 타깃 및 마스킹을 포함할 수 있다. 중공 물품에 도입될 수 있도록, 플라즈마 소스는 세장형 형상을 가질 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 용어 "세장형 형상(elongate shape)"은 특히 플라즈마 소스의 직경과 플라즈마 소스의 길이 사이의 비율이 1:5 미만, 예를 들어 1:8 미만 또는 1:10 미만인 것을 지칭할 수 있다.
마스킹은 비도전성 또는 도전성 재료로 만들어질 수 있다. 마스킹이 비도전성 재료로 만들어지는 경우 마스킹 디바이스는 캐소드와 타깃 주위에 자유롭게 배치될 수 있다. 마스킹은 캐소드 및 타깃의 외부 표면과 직접 접촉할 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 마스킹 디바이스가 도전성 재료로 만들어진 경우 마스킹 디바이스는, 마스킹과 캐소드 및 타깃의 외부 표면이 전기적으로 접촉함이 없이, 캐소드 주위에 최대한 가깝게 배치될 필요가 있다.
일반적으로, 플라즈마 소스의 형상은 처리될 내부 표면의 직경과 크기에 맞게 구성될 수 있다. 중공 물품 내로의 삽입을 위해, 플라즈마 소스의 외부 직경은 처리될 중공 물품의 내부 직경보다 작아야 할 필요가 있다. 플라즈마 소스의 배치가 공동의 전방에 배열되는 경우, 플라즈마 소스는 공동보다 작은 크기의 개구부를 가질 수 있다.
플라즈마 소스의 길이는 내부 표면이 완전히 처리되는 데 필요한 만큼 길 수 있다.
캐소드는 바람직하게는 고융점 재료로 만들어진다. 캐소드는 후속하는 리스트(list): 하프늄, 몰리브덴, 니오븀, 탄탈륨, 텅스텐, 티타늄 질화물, 지르코늄 질화물, 하프늄 질화물, 흑연으로부터의 하나 이상의 재료들/원소들을 포함할 수 있다.
타깃은 특히 중공 물품의 내부 표면 상에서 응축되는 증발된 재료의 소스로서 의도될 수 있다. 따라서, 타깃의 재료는 원하는 코팅의 특질에 맞게 구성될 수 있다. 재료 증착 또는 플라즈마 처리를 위한 타깃을 사용할 때, 타깃은 선택적으로 마스킹 외부에 배치되거나 연장될 수 있다. 플라즈마 형성 및 타깃으로부터의 재료 증발은 타깃의 표면, 특히 플라즈마 형성 영역에서 높은 온도를 유지함으로써 달성될 수 있다.
특정 양태에서, 본 발명은 타깃 자체에 관한 것일 수 있거나, 또는 본 발명의 장치에 사용하기 위한 타깃에 관한 것일 수 있다. 본 발명은 또한 본 발명의 장치에서 타깃의 사용에 관한 것일 수도 있다.
이러한 타깃은 본 발명의 장치의 캐소드에 연결되도록 구성될 수 있다. 이러한 연결은 예를 들어 플러그(plug) 연결이나 나사산 연결과 같은 포지티브 잠금(positive-locking) 연결을 통해 달성될 수 있다. 따라서 타깃은 캐소드와의 연결을 확립하도록 구성되는 연결 부분을 포함할 수 있다. 이런 방식으로, 동일한 장치가 서로 다른 타깃들을 구비할 수 있다. 타깃은 예를 들어 중공 형상을 가질 수 있다.
타깃은 후속하는 리스트: 알루미늄, 붕소, 탄소, 크롬, 코발트, 구리, 금, 홀뮴, 철, 란타늄, 리튬, 마그네슘, 망간, 몰리브덴, 니켈, 실리콘, 은, 주석, 티타늄, 바나듐, 이테르븀, 이트륨, 아연, 지르코늄, 이들의 합금들로부터 하나 이상의 재료들/원소들을 포함할 수 있다.
플라즈마 형성 영역은 플라즈마 소스의 타깃 상에 형성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 타깃의 자유 단부는 또한 플라즈마 형성 영역을 수용한다. 예를 들어, 타깃이 중공 원통형 형상을 갖는 경우, 플라즈마 형성 영역은 원통체(cylinder)의 하나의 베이스(base)로 형성된 링 형상부(ring-shape portion)를 포함할 수 있다. 타깃이 이의 전체 길이에서 마스킹에 의해 덮이지 않는 경우, 플라즈마 형성 영역은 타깃의 외측면의 일부를 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명의 장치는 가스 공급 채널(gas supply channel)을 더 포함할 수 있다. 가스 공급 채널은 특히 플라즈마 소스의 내부 및/또는 중앙 부분에 위치결정되는 채널일 수 있다. 플라즈마 소스는 가스 공급 채널의 가스 출구를 더 포함할 수 있다. 가스 출구는 특히 플라즈마 형성 영역에 위치결정될 수 있다.
가스 공급은 플라즈마 소스의 세장형 기하학적 형태로 인해 필요할 수 있는 타깃의 능동적인 냉각을 달성하는 데 유용할 수 있다. 가스 공급 채널을 통해 제공되는 가스는 타깃의 자유 단부에서만 플라즈마를 유지하는 데 유리할 수 있다. 이는 플라즈마 방전을 고압 영역에 우선적으로 집중시키는 플라즈마 소스의 자유 단부의 상승된 압력을 초래할 수 있다.
가스 공급 채널은 코팅 조성 및/또는 코팅의 재료 특성들에 영향을 주기 위해 코팅 부위에 반응성 가스를 공급하는 데에도 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 장치는 코팅될 중공 물품의 적어도 일부와 플라즈마 소스를 수용하도록 구성된 진공 챔버를 더 포함할 수 있다.
추가적으로, 장치는 중공 물품의 온도를 제어하도록 구성된 온도 제어 시스템을 구비할 수 있다. 이로써, 중공 물품의 재료를 과열시키거나 부정적인 영향을 미치지 않고 최적의 코팅 특성들을 위한 바람직한 온도가 달성될 수 있다.
장치는 전체 작동(즉, 로딩(loading) - 처리 - 언로딩(unloading)) 동안 중공 물품을 제 위치에 유지하고 바람직하게는 코팅이 필요하지 않은 영역들을 덮는 방식으로 개별 작업편에 맞도록 설계되는 고정구를 포함할 수 있다.
장치는 플라즈마 소스에 의해 방출된 전자들을 소비할 수 있는 애노드를 더 포함할 수 있다. 애노드는 장치의 별도 부분일 수도 있거나, 또는 접지된 벽이나 진공 챔버의 다른 구성 요소일 수도 있다. 그러나, 접지되거나 펄스 바이어스 전압에 연결된 중공 물품 자체도 또한 애노드로서 적합할 수 있다.
일 실시예에서, 애노드는 중공 물품의 내부로 도입될 수 있도록 설계될 수 있다. 이러한 보조적인 애노드는 후속하는 목적들: 증착 공정을 안정화하고; 증착 공정에서 전자들을 추출하고; 그 과정에서 전자들의 에너지를 증가시키고; 비도전성 재료들의 증착을 실현하고; 증착 영역을 제한 및/또는 국한하고; 중공 물품의 온도를 관리하고; 추가적인 공정 가스들을 도입하는 목적들 중 하나 이상을 수행하는 데 사용될 수 있다.
가스 공급 채널을 통해 플라즈마에 공급되는 공정 가스들은 후속하는 리스트: 수소, 아르곤, 헬륨, 크립톤, 네온, 크세논, 질소, 산소, 암모니아, 메탄, 에탄, 에텐, 아세틸렌, 헥산, 모노실란(monosilane), 금속 알킬(metal alkyl)들, 금속 알킬 아미드(metal alkyl amide)들, 금속 알콕시드(metal alkoxide)들, 금속 디케토네이트(metal diketonate)들, 금속 카르보닐(metal carbonyl)들, 금속 시클로펜타디에닐(metal cyclopentadienyl)들, 금속 할로겐화물(metal halide)들 중 하나 이상으로부터 선택될 수 있다.
애노드는 또한 캐소드 주위에, 예를 들어 관형 애노드(tubular anode)로서, 또는 캐소드 옆의 임의의 다른 기하학적 형태로 배열될 수 있다.
캐소드 및/또는 애노드는 냉각 채널들과 같은 냉각 요소들로 실현될 수 있다.
일 실시예에서, 장치는 적어도 하나의 자기장 소스를 갖는 플라즈마 편향 유닛을 더 포함할 수 있다. 플라즈마 편향 유닛은 플라즈마 소스에 의해 발생된 플라즈마의 형상과 밀도 분포에 영향을 주기 위해 사용될 수 있다. 원하는 영역을 향해 재료의 증착을 조종하기 위하여 플라즈마 밀도의 수정에 의해 증발된 타깃 원자들의 방향과 플럭스가 영향을 받을 수 있다. 따라서 원자들의 비행 경로가 자기장에 의해 영향을 받을 수 있는 경우 직접적인 시선이 필요하지 않을 수 있다. 구체적인 실시예에서, 플라즈마 편향 유닛은 그 내로 중공 물품이 도입될 수 있는 리세스를 포함할 수 있다. 이 경우, 자기장 소스는 플라즈마 소스에 의해 발생된 플라즈마가 서로 다른 측면들에서 자기장에 노출될 수 있도록 설계될 수 있다.
플라즈마 편향 유닛은 또한 언더컷(undercut) 공동 기하학적 형태들 및 불규칙한 형상의 공동들에서 코팅 두께 분포에 대한 제어를 증가시키는 데 유용할 수 있다.
플라즈마 편향 유닛의 자기장 소스는 영구 자석 또는 전자기 코일 또는 이들의 조합으로 실현될 수 있다.
선택적인 플라즈마 편향 유닛은 또한 증착 공정에서 이온화를 조정하기 위해 중공 물품 주위에 위치결정 가능할 수 있다. 이 경우, 적어도 하나의 코일 또는 적어도 하나의 영구 자석이 중공 물품 근처에 배치될 수 있다.
선택적으로, 본 발명의 장치는 적어도 하나의 추가적인 이차적인 플라즈마 소스를 포함할 수 있다. 이차적인 플라즈마 소스는 본 발명의 플라즈마 소스의 모든 특징들을 가질 수 있다. 그러나, 이차적인 플라즈마 소스는 제1 플라즈마 소스와 동일하지 않을 수도 있다.
이차적인 플라즈마 소스는 중공 물품의 내부로 삽입될 수 있다. 관형 형상을 갖는 중공 물품의 경우, 이차적인 플라즈마 소스는 플라즈마 소스와 반대 측면에서 중공 물품의 내부로 도입될 수 있다. 심지어 하나보다 많은 이차적인 플라즈마 소스가 제공될 수도 있다.
일반적으로, 장치는 중공 물품의 내부 표면 상에 코팅을 형성하는 데 유용할 뿐만 아니라, 대안적으로 또는 추가적으로 중공 물품의 내부 표면의 특성들을 수정하는 데에도 유용할 수 있다. 따라서, 플라즈마 소스에 의해 발생된 플라즈마는 또한 중공 물품의 내부 표면의 수정을 위해 사용될 수 있다. 그러한 수정은 에칭(즉, 표면으로부터 재료 제거) 및/또는 플라즈마 질화(plasma nitriding)를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명의 장치를 갖는 중공 물품의 배열에 관한 것일 수도 있다.
본 발명은 추가로 중공 물품의 내부 표면 상에 코팅을 형성하고 그리고/또는 내부 표면의 특성들을 수정하기 위한 방법에 관한 것일 수 있다.
방법에서, 플라즈마 소스, 바람직하게는 본 발명에 따른 플라즈마 소스가 중공 물품의 내부로 도입되는 것이 제공될 수 있다. 그런 후 중공 물품의 내부 표면은 플라즈마 소스에 의해 처리, 특히 코팅될 수 있다.
코팅은 플라즈마 소스의 타깃 및/또는 플라즈마에 공급되어 플라즈마에 의해 분해되는 기체 재료로부터 증발된 재료로부터 유래될 수 있다.
고밀도 플라즈마를 달성하기 위하여, 열이온 방출 공정의 형성이 유리하다. 이는 높은 온도에서 유지되는 표면으로부터 전자들을 방출함으로써 달성될 수 있다. 따라서, 플라즈마 소스의 마스킹되지 않은 부분, 즉 플라즈마 형성 영역은 상승된 온도들에서 유지되어야 한다.
이는 바람직하게는 단계 순서로 달성된다. 제1 단계에서, 플라즈마 형성 영역의 가열이 수행될 수 있다. 이는 캐소드 전체에 걸쳐 펄스 또는 비펄스 전기장을 인가함으로써 달성될 수 있다. 플라즈마 소스의 대부분이 마스킹에 의해 덮여 있기 때문에, 마스킹된 영역 주위에는 플라즈마가 생성되지 않으며, 생성된 플라즈마는 오직 플라즈마 형성 영역에만 존재한다. 이 기술에 의해 캐소드의 목표 가열(targeted heating)이 달성될 수 있다.
일단 적절한 온도가 달성되면, 제2 단계에서 열이온 전자들이 방출될 수 있고 고밀도 플라즈마가 유지될 수 있다. 플라즈마의 유지는 일반적으로 플라즈마를 점화하는 것 및/또는 타깃을 가열하는 것에 비해 낮은 전압에서 일어난다.
바람직한 실시예에서, 가스 공급 채널의 압력, 특히 가스 출구에서의 압력은 진공 챔버의 압력보다 높다. 이는 국한된 형상을 갖는 플라즈마의 형성을 허용한다.
중공 물품의 내부 표면 상에의 코팅은 플라즈마 소스가 중공 물품의 내부 또는 중공 물품의 공동 개구부의 정면에 배열되어 있는 동안 플라즈마 형성 영역에서 발생하는 플라즈마 방전에 내부 표면을 노출시키는 것에 의해 달성될 수 있다. 연장된 길이에 걸쳐 중공 물품의 내부 표면을 처리하기 위해, 플라즈마 소스는 중공 물품에 대해 이동될 수 있다.
플라즈마 방전은 플라즈마 소스의 자유 단부에서 플라즈마 형성 영역에서 국부적으로 생성될 수 있다. 플라즈마는 플라즈마 소스의 타깃의 표면으로부터의 전자 방출에 의해 유지될 수 있다.
코팅의 재료는, 증기가 기판 표면 상에 응축되는 동안 타깃 표면으로부터 증발되는 타깃의 재료로부터 유래할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 코팅의 재료는 또한 가스 공급 채널을 통해 반응성 가스를 플라즈마 방전에 추가하고 반응 생성물(reaction product)들뿐만 아니라 분해 생성물(break-up product)들을 기판 상에 응축 또는 부분적으로 응축시킴으로써 기상(gas phase)에서 유래할 수도 있다. 또한 이 두 가지 공정들의 조합은 코팅의 형성으로 이어질 수 있다.
코팅 두께의 분포는 플라즈마 공정에 입력되는 전력, 플라즈마 편향 유닛의 선택적인 자기장, 중공 물품에 대한 플라즈마 소스의 이동뿐만 아니라 처리 동안 공급된 가스들의 압력에 의해 제어될 수 있다.
가능한 코팅 재료들은 질화물, 산화물, 탄화물, 붕화물, 규화물 또는 금속 화합물들 또는 원소들을 포함한다(그러나, 이에 제한되지 않는다). 특히 관심을 끄는 예시적인 재료 시스템들은 금속 크롬, 내산화성 및/또는 내부식성 및/또는 내마모성 금속들 또는 합금들, CrN, CrCN, AlCrN, AlCrCN, AlN, AlCN, Ti, TiN, TiC, TiCN, TiAlN, TiAlCN, TiSiN, TiSiCN, Si, SiN, SiC, SiCN, SiO, AlSiO, AlO, AlCrO, AlON, AlCrON, CrO, CrON, MCrAlY 또는 C-기반 코팅들[예컨대, 다이아몬드 유사 탄소(DLC), 비정질 탄소 또는 ta-C]을 포함한다. 플라즈마 소스의 타깃을 교환하거나 또는 선택적으로 추가적인 플라즈마 소스들을 사용함으로써 금속 부격자(metallic sublattice)의 서로 다른 화학적 성질들을 갖는 층들로 구성된 코팅들이 실현될 수 있다. 일반적으로, 코팅 조성물은 하나 이상의 플라즈마 소스들, 서로 다른 타깃 재료들, 서로 다른 공정 가스들, 압력들, 온도들 및 플라즈마 매개변수들의 사용에 의해 한정될 수 있다.
선택적으로, 중공 물품의 내부 표면의 플라즈마 세정 또는 플라즈마 에칭 공정이 플라즈마 소스에 의해 생성된 플라즈마를 사용하여 제공될 수 있다.
선택적으로, 플라즈마 질화 단계는 플라즈마에 질소 가스를 도입함으로써 코팅 공정 전이나 동안에 수행될 수 있다.
재료 증착 동안 기판은 플라즈마의 특성들과 증착 공정 자체에 따라 부동 전위(floating potential)로 유지될 수 있다. 증착된 코팅의 특성들을 조정하기 위해, 기판에 바이어스 전압이 인가될 수 있으며, 이는 성장하는 코팅의 이온-충격을 증가시킨다. 바이어스 전압은 바람직하게는 RF(무선 주파수), DC(직류), 펄스 DC 또는 양극성 펄스 모드(bipolar pulsed mode)로 실현될 수 있다.
플라즈마 소스의 작동은 DC 또는 펄스 모드에서 실현될 수 있지만, 바람직하게는 캐소드 및 애노드 작동이 주기적으로 역전되는 양극성 작동 모드에서 실현된다. 이 옵션(option)을 사용하면, 단일 타깃을 증발시키는 것이 가능하지만, 선택적으로 두 개 이상의 서로 다른 타깃들에서 재료를 증발시키는 것도 또한 가능하고, 따라서 최소한 두 개의 서로 다른 타깃 재료들의 혼합물로 구성된 다성분(multicomponent) 코팅들뿐만 아니라 두 개 이상의 재료들로부터 다중층(multilayer) 코팅들도 달성하는 것이 가능하다. 다른 설명된 작동 방법들과 마찬가지로, 선택적으로 반응성 가스들이 공정에 추가될 수 있다.
플라즈마 공정은 바람직하게는 플라즈마 형성 영역의 표면과 관련하여 10 kW/cm² 미만의 전력 밀도로 조절된다. Ti의 경우 약 20 W/cm²와 같은 낮은 전력 밀도들은 재료를 증발시키는 데 충분하지 않을 수 있지만 지속적인 플라즈마 방전을 유지할 수 있고 동시에 전력 밀도를 증가시키는 것은 타깃 재료의 증가된 증발 속도들로 이어진다.
본 발명의 방법은 코팅을 증착시키기 전에 중공 물품을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 코팅의 재료 특성들을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 방법은 코팅을 증착시키기 전에 중공 물품의 내부 표면을 세정하는 단계를 포함할 수 있다. 세정 단계는 특히 가스, 예를 들어 희가스(noble gas)와 같은 불활성 가스, 또는 수소와 같은 반응성 가스가 진공 챔버 내로 도입되는 플라즈마 세정 단계일 수 있다. 가스는 0.1 내지 100 Pa의 부분 압력으로 도입될 수 있다.
그런 후 플라즈마는 중공 캐소드로서 작용하는 중공 물품 상에서 직접 점화될 수 있다. 재료 제거를 용이하게 하기 위해 충격 종(bombarding species)의 충분한 운동 에너지를 달성하도록 생성된 이온들을 가속시키기 위해 바이어스 전압이 중공 물품에 인가될 수 있다.
선택적으로, 더 강력한 재료 제거 속도가 필요한 경우, 플라즈마 소스 자체를 열이온 전자들의 소스로서 추가함으로써 플라즈마 에칭 공정이 더욱 향상될 수 있다.
코팅들의 특성들이나 증착 공정 자체의 특성들을 향상시키거나 수정하기 위해, 코팅은 추가적인 원소들이 도핑(doping)될 수 있다. 따라서, 중공 물품의 내부 표면에 배열된 최종 코팅은 20 중량％ 미만의 도핑 원소들을 함유할 수 있다.
도핑은 후속하는 것: 적어도 하나의 도핑 원소를 포함하는 타깃이 구비된 이차적인 플라즈마 소스; 적어도 하나의 도핑 원소를 포함하는 보조적인 애노드; 가스 공급 채널을 통해 가스 전구체로서 적어도 하나의 도핑 원소의 추가; 타깃과 도핑 원소를 선택적으로 합금화하는 것 중 적어도 하나의 사용에 의해 실현될 수 있다.
도핑 원소들은 후속하는 리스트: 붕소, 알루미늄, 세륨, 크롬, 갈륨, 인듐, 인, 비소, 안티몬, 비스무트, 리튬, 게르마늄, 실리콘, 크세논, 몰리브덴, 니오븀, 질소, 산소, 탄소, 금, 은, 티타늄, 텅스텐, 백금, 프로메튬, 사마륨, 유로퓸, 가돌리늄, 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨, 이테르븀, 루테튬으로부터 선택된 하나 이상의 원소일 수 있다.
본 발명은 내부 표면들 상의 코팅이 본 발명에 따른 플라즈마 소스로 실현되는 반면, 작업편의 외부 표면들 상의 코팅은 바람직하게는 종래의 PVD 코팅 소스들로 실현되는 종래의 PVD 시스템으로 선택적으로 구현될 수 있다. 이러한 선택적인 공정 조합은 바람직하게는 단일 공정으로 실현될 수 있지만, 공간적인(예컨대, 제2 챔버를 제공함으로써) 및/또는 시간적인(예컨대, 제2 공정 단계를 제공함으로써) 두 개의 개별 공정 세그먼트(segment)들을 분리하는 모든 조합들이 가능하다.
본 발명은 또한 이의 내부 표면 상에 코팅을 갖는 중공 물품에 관한 것일 수 있으며, 여기서 코팅은 본 발명의 장치 및/또는 방법에 의해 형성된다.
본 발명은 선택적으로 중공 물품의 내부 표면 상에 코팅을 형성하고 그리고/또는 내부 표면의 특성들을 수정하기 위한 장치에 관한 것이며, 여기서 장치는 플라즈마 소스를 포함하고, 플라즈마 소스는 세장형 형상을 가지며 캐소드뿐만 아니라 타깃을 포함하고, 타깃은 열이온 전자 방출 소스이고, 타깃은 전기 도전성 방식으로 캐소드에 연결된다.
플라즈마 소스는 캐소드와 타깃의 외부 표면을 부분적으로 덮는 마스킹을 더 포함하고, 이 마스킹은 장치의 작동 동안 마스킹에 의해 덮이는 영역 상에 플라즈마의 형성을 방지하도록 구성되고, 플라즈마 형성 영역이 타깃 상에 제공되고, 이 플라즈마 형성 영역은 마스킹에 의해 덮이지 않는 것으로 제공될 수 있다.
타깃은 중공형인 것으로 제공될 수 있다.
타깃은 본질적으로 관형 형상을 갖고, 플라즈마 형성 영역은 바람직하게는 플라즈마 소스의 자유 단부에 위치결정되는 링 형상부를 포함하는 것으로 제공될 수 있다.
마스킹은, 마스킹에 의해 덮이지 않는 플라즈마 형성 영역을 제외하고는, 캐소드와 타깃의 외부 표면을 완전히 덮는 것으로 제공될 수 있다.
플라즈마 소스는, 플라즈마 형성 영역에 배열되는 가스 출구를 갖는 가스 공급 채널을 포함하는 것으로 제공될 수 있다.
가스 출구는 플라즈마 형성 영역 내에 배열되는 것으로 제공될 수 있다.
가스 출구에서 가스 공급 채널은 7 mm² 이하의 단면적을 갖는 것으로 제공될 수 있다.
마스킹은 전기 절연성 재료로 만들어지는 것으로 제공될 수 있다.
마스킹은 전기 도전성 재료로 만들어지고, 마스킹은 캐소드 및 타깃에 전기 도전성 방식으로 연결되지 않는 것으로 제공될 수 있다.
플라즈마 소스는 0.1 mm 내지 150 mm의 직경을 갖고, 그리고/또는 플라즈마 소스는 80 mm 내지 5000 mm의 길이를 갖는 것으로 제공될 수 있다.
타깃은 후속하는 그룹: 금속 크롬, 또는 다른 내산화성 및/또는 내부식성 금속과 같은 금속; 적어도 두 개의 서로 다른 금속들로 구성된 합금; 금속 질화물, 탄화물, 붕화물, 산화물과 같은 금속 화합물; 흑연과 같은 탄소 기반 화합물 중 하나 이상으로부터 선택되는 재료로 이루어지거나 포함하는 것으로 제공될 수 있다.
플라즈마 소스는 진공 챔버에 배열되고, 진공 챔버는 중공 물품을 수용하도록 구성되는 것으로 제공될 수 있다.
장치는 플라즈마 소스에 의해 방출된 전자들을 소모하도록 구성된 애노드를 더 포함하는 것으로 제공될 수 있다.
장치는 플라즈마 소스에 의해 생성된 플라즈마의 형상에 영향을 주기 위해 적어도 하나의 자기장 소스를 갖는 플라즈마 편향 유닛을 더 포함하고, 플라즈마 편향 유닛은 중공 물품에 근접하게 배열될 수 있는 것으로 제공될 수 있다.
플라즈마 편향 유닛은 그 내로 중공 물품이 도입될 수 있는 리세스를 포함하는 것으로 제공될 수 있다.
캐소드는 타깃과 일체적으로 형성되고, 캐소드와 타깃은 동일한 재료로 만들어지는 것으로 제공될 수 있다.
캐소드와 타깃은 서로 연결된 별도의 부분들이고, 캐소드와 타깃은 동일하거나 서로 다른 재료로 만들어지는 것으로 제공될 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 장치에 사용하기 위한 및/또는 사용하기 위해 개조된 타깃에 관한 것일 수 있다.
타깃은 전기 도전성 방식으로 캐소드에 연결될 수 있는 것으로 제공될 수 있다.
본 발명은 또한 중공 물품과 본 발명에 따른 장치의 배열에 관한 것일 수 있고, 플라즈마 소스는 중공 물품의 내부로 삽입된다.
중공 물품은 고정구에 의해 유지되는 것으로 제공될 수 있다.
본 발명은 또한 중공 물품의 내부 표면 상에 코팅을 형성하고 그리고/또는 내부 표면의 특성들을 수정하기 위한 방법에 관한 것일 수 있다.
방법은 중공 물품의 내부에 본 발명에 따른 장치의 플라즈마 소스를 삽입하는 단계를 포함하는 것으로 제공될 수 있다.
방법은 플라즈마 소스의 캐소드로부터 열이온 전자 방출의 발생에 의해 플라즈마를 발생시키는 단계를 포함하는 것으로 제공될 수 있다.
방법은 플라즈마 소스의 타깃으로부터 재료를 증발시키고 그리고/또는 발생된 플라즈마에 의해 가스 전구체(gaseous precursor)들을 분해하는 단계를 포함하는 것으로 제공될 수 있다.
방법은 코팅을 형성하기 위해 중공 물품의 내부 표면 상에 증발된 및/또는 분해된 재료를 증착시키는 단계를 포함하는 것으로 제공될 수 있다.
플라즈마를 발생시키는 단계는: (i) 캐소드에 100 V 내지 1000 V의 전압을 인가함으로써 플라즈마를 점화시키는 단계, (ii) 10 V 내지 500 V의 방전 전압을 인가함으로써 플라즈마를 유지하는 단계를 포함하고, 타깃(4)의 표면은 플라즈마에 의해 가열되고, 플라즈마를 점화하는 단계에서의 전압은 플라즈마를 유지하는 단계에서의 전압보다 높은 것으로 제공될 수 있다.
플라즈마를 점화시키는 단계는: (ia) 캐소드에 펄스 고전압이 인가되는 제1 점화 단계, 및 (ib) 캐소드에 직류가 인가되는 제2 점화 단계를 포함하는 것으로 제공될 수 있다.
중공 물품은 장치의 진공 챔버에 배치되고, 진공 챔버의 압력은 500 Pa 미만인 것으로 제공될 수 있다.
플라즈마 소스의 가스 공급 채널의 압력은 진공 챔버의 압력보다 높은 것으로 제공될 수 있다.
캐소드에 인가되는 전력 밀도는 플라즈마 형성 영역의 크기와 관련하여 10 kW/cm² 미만인 것으로 제공될 수 있다.
가스의 스트림(stream)이 플라즈마 형성 영역에 공급되고, 가스는 수소; 희가스; 질소; 산소; 암모니아; 메탄과 같은 알칸; 에탄과 같은 알켄; 아세틸렌과 같은 알킨; 모노실란(monosilane)과 같은 실란; 유기 금속 화합물 또는 금속 할로겐화물과 같은 금속 화합물 중 하나 이상으로부터 선택되는 것으로 제공될 수 있다.
본 발명은 또한 이의 내부 표면 상에 코팅을 갖는 중공 물품에 관한 것일 수 있고, 여기서 코팅은 본 발명에 따른 장치 및/또는 본 발명에 따른 방법에 의해 형성된다.
본 발명의 추가적인 특징들은 청구범위, 도면들 및 본 발명에 따른 예시적인 실시예들에 대한 후속하는 상세한 설명으로부터 도출될 수 있다.
이하에서, 본 발명은 본 발명의 양태들의 예시적인 실시예들을 참조하여 상세히 설명될 것이다. 예시적인 실시예들은 독립 청구항의 특징들에 의해서만 한정되는 보호 범위를 제한하려는 의도가 아니다.
도 1은 제1 예시적인 실시예에 따른 장치의 플라즈마 소스의 개략적인 단면도를 도시하며, 플라즈마 소스는 중공 물품에 배열되어 있다.
도 2는 도 1의 평면 A-A를 가로지르는 개략적인 단면도를 도시한다.
도 3은 제1 예시적인 실시예에 따른 장치의 개략적인 개요를 도시한다.
도 4는 제2 예시적인 실시예에 따른 장치의 플라즈마 소스의 개략적인 단면도를 도시하며, 플라즈마 소스는 중공 물품에 배열되어 있다.
도 2는 도 1의 평면 A-A를 가로지르는 개략적인 단면도를 도시한다.
도 3은 제1 예시적인 실시예에 따른 장치의 개략적인 개요를 도시한다.
도 4는 제2 예시적인 실시예에 따른 장치의 플라즈마 소스의 개략적인 단면도를 도시하며, 플라즈마 소스는 중공 물품에 배열되어 있다.
달리 언급하지 않는 한, 도면들은 일반적으로 다음 특징부들: 중공 물품(1), 플라즈마 소스(2), 캐소드(3), 타깃(4), 마스킹(5), 플라즈마 형성 영역(6), 가스 공급 채널(7), 가스 출구(8), 진공 챔버(9), 애노드(10), 플라즈마 편향 유닛(11), 리세스(12), 내부(13), 연결 수단(14)을 도시한다.
도 1은 본 발명의 제1 예시적인 실시예에 따른 장치의 플라즈마 소스(2)의 개략적인 단면도를 도시하며, 플라즈마 소스(2)는 중공 물품(1)에 배열되어 있다.
플라즈마 소스(2)는 본질적으로 관형의 세장형 형상을 가지며, 캐소드(3) 및 전기 도전성 방식으로 캐소드(3)에 연결된 타깃(4)을 포함한다. 캐소드(3)와 타깃(4) 사이의 연결은, 두 부분들 사이의 포지티브 잠금 연결을 얻기 위해 핀(pin)들로서 설계된 연결 수단(14)에 의해 달성된다.
캐소드(3) 및 타깃(4)은 이 실시예에서 전기 비도전성 재료로 만들어진 마스킹(masking)(5)에 의해 덮여진다. 플라즈마 소스(2)의 자유 단부, 특히 플라즈마 소스(2)의 자유 단부에서의 타깃(4)의 일부분은 마스킹(5)에 의해 덮이지 않는다.
마스킹(5)은 상기 마스킹(5)에 의해 덮여 있는 영역들에서는 플라즈마를 방지하는 역할을 하지만, 마스킹(5)에 의해 덮이지 않는 영역들에서는 플라즈마가 형성될 수 있다. 그러므로 후자 영역은 플라즈마 형성 영역(6)으로 지칭된다.
본 실시예에서, 타깃(4)은 관형 형상이고 마스킹(5)은 타깃(4)의 원주 외부 표면을 완전히 덮는다. 따라서, 플라즈마 형성 영역(6)은 링 형상을 갖는다.
제1 실시예의 플라즈마 소스(2)는 캐소드(3) 및 타깃(4)의 중앙 부분에 위치결정된 가스 공급 채널(7)을 갖고, 가스 출구(8)는 플라즈마 소스(2)의 자유 단부에 위치결정된다.
도 1에서, 플라즈마 소스(2)는 이 예에서는 관인 중공 물품(1)의 내부(13)에 배열된다.
도 2는, 중공 물품(1), 타깃(4), 마스킹(5)의 섹션들뿐만 아니라 중공 물품(1)의 내부(13) 및 가스 공급 채널(7)의 섹션들이 도시되어 있는, 도 1의 평면 A-A를 가로지르는 개략적인 단면도를 도시한다.
제1 예시적인 실시예에 따른 장치의 기능은 장치의 개략적인 개요를 도시하는 도 3을 참조하여 추가로 설명된다. 도 1 및 도 2와 관련하여 설명된 특징부들 외에도, 장치는 진공 챔버(9), 애노드(10) 및 고정구(14)를 더 포함한다.
진공 챔버(9)는 증착 공정 동안 제어된 압력 체제(controlled pressure regime)가 존재하는 것을 허용하도록 플라즈마 소스(2)뿐만 아니라 중공 물품(1)도 수용한다. 고정구(14)는 중공 물품(1)을 제 포지션에 유지시킨다. 애노드(10)는 플라즈마 소스(2)에 의해 발생된 전자들을 흡수하는 데 사용된다. 이 실시예에서, 애노드(10)는 접지된다.
장치의 가스 공급 채널(7)은 원하는 가스를 공급하도록 구성된 가스 공급(도시되지 않음)에 연결된다. 가스 공급과 함께, 전원 공급 유닛(도시되지 않음)에 연결되는 전원 공급(도시되지 않음)이 제공된다. 전원 공급 유닛은 플라즈마 소스에 전원을 공급하도록 구성된다.
이 예시적인 실시예에서, 타깃(4)은 대략 99.95 ％의 순도를 갖는 원소 구리(elemental copper)로 만들어진다. 타깃은 대략 6 mm의 외부 직경을 갖는다.
제1 실시예의 장치는 중공 물품(1)의 내부 표면을 코팅하기 위한 방법에 사용될 수 있다. 이 예에서, 중공 물품(1)은 대략 1 cm의 내부 직경을 갖는 대략 1 m 길이의 파이프이다.
방법의 예시적인 실시예에서, 중공 물품(1)은 진공 챔버(9) 내부의 고정구(14) 상에 배치된다.
그러면, 진공 챔버(9) 내부의 가스 압력은 500 Pa 미만으로 제어된다.
플라즈마 소스(2)를 사용하여 중공 물품(1)의 내부 표면의 처리를 위한 플라즈마 공정은 타깃(4)으로부터의 열이온 아크 방출에 의해 달성되는 동시에, 코팅 증착은 방출된 전자들과 공정 가스의 상호 작용 및 타깃 재료의 열이온 증발에 의해 용이하게 된다.
플라즈마를 점화할 때, 아르곤 가스가 8 Pa의 부분 압력으로 진공 챔버(9)에 도입된다. 플라즈마는 제1 점화 단계(ignition phase)에서 캐소드(3)에 펄스 전압(pulsed voltage)으로 대략 450 V의 전압을 인가함으로써 점화된다. 펄스 전압의 사용되는 주파수는 50 ％ 교번(alternation)에서 대략 100 kHz이다. 제2 점화 단계에서, 전원 공급이 직류 공급으로 전환되고, 대략 0.44 A의 방전 전류를 달성하기 위해 전압은 대략 200 V로 낮아진다. 작동 동안, 플라즈마는 대략 0.6 A의 방전 전류를 갖는 대략 120 V의 방전 전압에 의해 유지된다. 작동 동안 타깃으로부터 방출되는 전자들은 이중 역할을 한다: 첫째, 전자들은 중공 물품(1)의 내부(13)의 가스 또는 증기를 이온화한다. 둘째, 타깃(4)을 가열한다. 따라서 가열된 타깃(4)의 표면으로부터 재료는 증발되고, 이러한 방식으로 재료는 기판 내부 표면 상으로 증착될 수 있다.
그런 후 대략 9 mm의 외부 직경을 갖는 플라즈마 소스(2)는 중공 물품(1)의 내부(13)를 통해 이동된다.
타깃(4)의 재료는 플라즈마에 의해 증발되고 중공 물품(1)의 내부 표면 상에 증착되어, 중공 물품(1)의 내부 표면 상에 금속 구리의 코팅을 획득한다. 내부(13) 전체에 걸쳐 플라즈마 소스(2)의 이동 속도를 제어함으로써 원하는 코팅 두께와 두께 분포는 제어될 수 있다.
대안적인 예에서, 방법은, 가스 공급 채널(7)을 통해 질소가 도입되는 경우, 질화물 코팅 공정으로서 수행될 수 있다. 이 예에서, 위에서 설명된 예의 타깃(4)은 원소 티타늄으로 만들어진 다른 타깃으로 교환된다. 기체 질소는 증착 공정에서 티타늄과 반응하여 TiN을 형성한다.
플라즈마를 점화하고 유지하기 위한 조건들은 특히 타깃(4)의 재료에 따라 달라진다. 조건의 적절한 선택은 전적으로 숙련된 기술자의 지식 내에 있다.
방법에 의해 제조된 코팅들은 적어도 하나의 층을 포함할 수 있고, 이 제1 층은 중공 물품(1)의 내부 표면에 직접 부착된다. 내부 표면을 따라 플라즈마 소스(2)를 추가 횟수 이동시킴으로써, 2 개 이상의 층들을 갖는 다중층 코팅들이 제조될 수 있다. 각각의 개별 층의 증착 사이에 타깃(4) 자체, 플라즈마 소스(2), 공정 가스 조성, 또는 이들의 조합은 선택적으로 서로 다른 조성들을 포함하는 코팅들을 갖는 다층 코팅들을 증착하기 위해 교환될 수 있다.
플라즈마 소스(2)의 작동 동안 접지된 애노드(10)는 플라즈마에 의해 발생된 전자들을 소모하는 데 사용된다. 애노드(10)의 사용은 산화물들과 같은 높은 전기 저항성을 갖는 코팅들에 특히 유용하며, 이는 높은 에너지 소비, 공정 불안정성들 또는 감소된 코팅 품질을 초래할 수 있기 때문이다.
애노드(10)는 플라즈마 방전 동안 타깃(4)에서 방출되는 전자들을 적어도 부분적으로 소모한다. 애노드(10)를 사용하면, 중공 물품(1)의 내부 표면에 대한 전자 충격을 감소시킴으로써 중공 물품(1)을 위한 추가적인 열 관리를 제공하는 것이 가능하다. 더욱이, 애노드(10)의 사용은 중공 물품(1)의 내부 표면 상으로 비도전성 코팅들을 증착하는 것을 허용한다. 애노드(10)는 플라즈마 소스(2)와 반대 측면의 개구부로부터 중공 물품(1)의 내부(13)로 들어가는 설계로 실현될 수 있다.
애노드(10)에 대한 다른 배열들 및/또는 설계들도 또한 가능하다. 예를 들어, 공동 직경이 허용하는 경우, 애노드(10)는 플라즈마 소스(2)와 동일한 개구부를 통해 들어갈 수 있거나, 플라즈마 소스(2) 주위의 원통형 관으로서 실현될 수 있다.
도 4는 제2 예시적인 실시예에 따른 장치의 플라즈마 소스(2)의 개략적인 단면도를 도시하며, 플라즈마 소스(2)가 중공 물품(1)에 배열되어 있다.
도 4에 도시된 장치의 플라즈마 소스(2)는 제1 실시예 중 하나와 유사하지만, 마스킹(5)이 타깃(4)의 전체 둘레 표면을 완전히 덮지 않아, 플라즈마 형성 영역(6)이 제1 실시예에서와 같은 링 형상부를 포함하지만, 추가적으로 마스킹(5)에 의해 덮이지 않는 타깃(4)의 외부 표면을 포함한다는 차이를 갖는다.
제1 실시예와 더욱 대조적으로, 캐소드(3)와 타깃(4)은 함께 용접된다.
더욱이, 제2 실시예에 따른 장치는 자기장 소스를 포함하는 플라즈마 편향 유닛(11)을 포함한다. 플라즈마 편향 유닛(11)은 그 내로 중공 물품(1)이 안내될 수 있는 리세스(12)를 포함한다.
이러한 추가 자기장은 플라즈마 소스(2)에 의해 발생된 플라즈마의 형상에 영향을 미치기 위해 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 자기장 소스는 전자기 코일이다. 자기장의 방향은 플라즈마의 편향의 방향을 제어하는 한편, 자기장의 자기 강도는 편향된 전자들과 후속 이온들의 트랙(track)의 곡률을 제어한다. 자기장은 성장하는 코팅 필름들의 특성들과 두께 분포를 미세 조정하는 데에도 추가로 사용될 수 있다. 따라서 외부 자기장을 인가하는 것은 불규칙한 기하학적 형태를 갖는 기판의 내부 표면 상에서 코팅 적용 범위를 제어하는 것을 허용할 것이다.
많은 애플리케이션들은 다중 복합 코팅(multi-composite coating)들을 필요로 한다. 일부 애플리케이션들에서 원하는 금속 구성 요소들과 그들의 서로 다른 상(phase)들이 너무 다르기 때문에 단일 합금으로 만들어진 타깃(4)으로부터의 증발을 달성할 수 없다. 대응하는 도면에 도시되지 않은 제3 예시적인 실시예에서, 본 발명에 따른 적어도 2 개의 플라즈마 소스들(2)의 조합이 사용된다.
플라즈마 소스들(2)은 서로 다른 재료들의 타깃들(4)을 구비하고 이들은 중공 물품(1)의 반대쪽 측면들 또는 동일한 공동 개구부의 내부(13)로 들어간다. 각각의 추가적인 플라즈마 소스(2)는 선택적으로 애노드 또는 캐소드로 작용할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 소스(2)는 양극성 펄스 모드에서 사용될 수 있다. 전압 펄스 동안 이 모드에서 플라즈마 소스들 중 하나에 음의 전압이 인가되고 다른 플라즈마 소스에는 양의 전압이 인가된다. 이는 실제로 양의 전압이 인가된 플라즈마 소스(2)가 애노드(10)로 작용하고, 음의 전압이 인가된 플라즈마 소스(2)가 캐소드(3)로 작용하여 타깃(4)의 재료의 증발이 일어난다는 것을 의미한다.
전압 펄스가 종료된 후 인가된 전압은 역전될 수 있으며 다른 플라즈마 소스(2)로부터 증발이 일어난다. 긴 펄스 지속 시간들에서 일 유형의 다중 층이 생성될 수 있는 반면, 짧은 펄스 지속 시간들에서 두 플라즈마 소스들(2)로부터의 증발이 재료들의 혼합과 다중 복합 코팅들의 후속 증착을 허용할 만큼 충분히 가까운 시간적 관계에서 일어난다. 이러한 선택적인 설정은 애노드(10)가 플라즈마 방전 내부에 항상 존재하는 것을 보장하고 따라서 방출된 전자들은 플라즈마 방전에서 용이하게 추출될 수 있다. 이는 다중 복합 코팅들의 증착을 위한 안정적인 플라즈마 조건들을 보장한다.
Claims (26)
- 중공 물품(1)의 내부 표면 상에 코팅(coating)을 형성하고 그리고/또는 내부 표면의 특성들을 수정하기 위한 장치로서,
상기 장치는 플라즈마 소스(plasma source)(2)를 포함하고, 상기 플라즈마 소스(2)는 세장형 형상을 갖고 캐소드(cathode)(3)뿐만 아니라 타깃(target)(4)을 포함하고, 상기 타깃(4)은 열이온 전자 방출 소스(source)이고, 상기 타깃(4)은 전기 도전성 방식으로 캐소드(3)에 연결되고,
상기 플라즈마 소스(2)는 캐소드(3)와 타깃(4)의 외부 표면을 부분적으로 덮는 마스킹(masking)(5)을 더 포함하고, 이 마스킹(5)은 장치의 작동 동안 마스킹(5)에 의해 덮이는 영역 상에서 플라즈마의 형성을 방지하도록 구성되고, 플라즈마 형성 영역(6)이 상기 타깃(4) 상에 제공되고 이 플라즈마 형성 영역(6)은 마스킹(5)에 의해 덮이지 않는,
장치. - 제1 항에 있어서,
상기 타깃(4)은 중공형인,
장치. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 타깃(4)은 본질적으로 관형 형상을 갖고, 상기 플라즈마 형성 영역(6)은 바람직하게는 상기 플라즈마 소스(2)의 자유 단부(10)에 위치결정되는 링 형상부(ring-shaped portion)를 포함하는,
장치. - 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마스킹(5)은, 마스킹(5)에 의해 덮이지 않는 플라즈마 형성 영역(6)을 제외하고는, 캐소드(3)와 타깃(4)의 외부 표면을 완전히 덮는,
장치. - 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플라즈마 소스(1)는, 상기 플라즈마 형성 영역(6)에 배열되는 가스 출구(8)를 갖는 가스 공급 채널(7)을 포함하는,
장치. - 제5 항에 있어서,
상기 가스 출구(8)는 플라즈마 형성 영역(6) 내에 배열되는,
장치. - 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
상기 가스 출구(8)에서 상기 가스 공급 채널(7)은 7 mm² 이하의 단면적을 갖는,
장치. - 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 마스킹(5)은 전기 절연성 재료로 만들어지거나,
또는
- 상기 마스킹(5)은 전기 도전성 재료로 만들어지고, 상기 마스킹(5)은 캐소드(3) 및 타깃(4)에 전기 도전성 방식으로 연결되지 않는,
장치. - 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플라즈마 소스(2)는 0.1 mm 내지 150 mm의 직경을 갖고, 그리고/또는 상기 플라즈마 소스(2)는 80 mm 내지 5000 mm의 길이를 갖는,
장치. - 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 타깃(4)은 후속하는 그룹: 금속 크롬, 또는 다른 내산화성 및/또는 내부식성 금속과 같은 금속; 적어도 두 개의 서로 다른 금속들로 구성된 합금; 금속 질화물, 탄화물, 붕화물, 산화물과 같은 금속 화합물; 흑연과 같은 탄소 기반 화합물 중 하나 이상으로부터 선택되는 재료로 이루어지거나 포함하는,
장치. - 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플라즈마 소스(2)는 진공 챔버(9)에 배열되고, 진공 챔버(9)는 중공 물품(1)을 수용하도록 구성되는,
장치. - 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플라즈마 소스(2)에 의해 방출된 전자들을 소모하도록 구성된 애노드(anode)(10)를 더 포함하는,
장치. - 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플라즈마 소스(2)에 의해 생성된 플라즈마의 형상에 영향을 주기 위해 적어도 하나의 자기장 소스를 갖는 플라즈마 편향 유닛(plasma deflection unit)(11)을 더 포함하고, 상기 플라즈마 편향 유닛(11)은 중공 물품(1)에 근접하게 배열될 수 있는,
장치. - 제13 항에 있어서,
상기 플라즈마 편향 유닛(11)은 그 내로 중공 물품(1)이 도입될 수 있는 리세스(recess)(12)를 포함하는,
장치. - 제1 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 캐소드(3)는 상기 타깃(4)과 일체적으로 형성되고, 상기 캐소드(3)와 상기 타깃(4)은 동일한 재료로 만들어지고,
- 또는 상기 캐소드(3)와 타깃(4)은 서로 연결된 별도의 부분들이고, 상기 캐소드(3)와 타깃(4)은 동일하거나 서로 다른 재료로 만들어지는,
장치. - 제1 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 따른 장치에서 사용하기 위한 타깃으로서,
상기 타깃(4)은 전기 도전성 방식으로 캐소드(3)에 연결될 수 있는,
타깃. - 중공 물품(1)과 제1 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 배열로서,
상기 플라즈마 소스(2)는 중공 물품(1)의 내부(13)로 삽입되는,
배열. - 제17 항에 있어서,
상기 중공 물품(1)은 고정구(14)에 의해 유지되는,
배열. - 중공 물품(1)의 내부 표면 상에 코팅을 형성하고 그리고/또는 내부 표면의 특성들을 수정하기 위한 방법으로서:
- 중공 물품(1)의 내부(13)에 제1 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 따른 장치의 플라즈마 소스(2)를 삽입하는 단계,
- 플라즈마 소스(2)의 캐소드(3)로부터 열이온 전자 방출의 발생에 의해 플라즈마를 발생시키는 단계,
- 플라즈마 소스(2)의 타깃(4)으로부터 재료를 증발시키고 그리고/또는 발생된 플라즈마에 의해 가스 전구체(gaseous precursor)들을 분해하는 단계,
- 코팅을 형성하기 위해 상기 중공 물품(1)의 내부 표면 상에 증발된 및/또는 분해된 재료를 증착시키는 단계를 포함하는,
방법. - 제19 항에 있어서,
플라즈마를 발생시키는 단계는:
- 캐소드(3)에 100 V 내지 1000 V의 전압을 인가함으로써 플라즈마를 점화시키는 단계,
- 10 V 내지 500 V의 방전 전압을 인가함으로써 플라즈마를 유지하는 단계를 포함하고,
상기 타깃(4)의 표면은 플라즈마에 의해 가열되고, 플라즈마를 점화하는 단계에서의 전압은 플라즈마를 유지하는 단계에서의 전압보다 높은,
방법. - 제20 항에 있어서,
상기 플라즈마를 점화시키는 단계는:
- 상기 캐소드(3)에 펄스 고전압이 인가되는 제1 점화 단계, 및
- 상기 캐소드(3)에 직류가 인가되는 제2 점화 단계를 포함하는,
방법. - 제19 항 내지 제21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중공 물품(1)은 장치의 진공 챔버(9)에 배치되고, 상기 진공 챔버(9)의 압력은 500 Pa 미만인,
방법. - 제22 항에 있어서,
상기 플라즈마 소스(2)의 가스 공급 채널(7)의 압력은 상기 진공 챔버(9)의 압력보다 높은,
방법. - 제19 항 내지 제23 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캐소드(3)에 인가되는 전력 밀도는 상기 플라즈마 형성 영역(6)의 크기와 관련하여 10 kW/cm² 미만인,
방법. - 제19 항 내지 제24 항 중 어느 한 항에 있어서,
가스의 스트림(stream)이 상기 플라즈마 형성 영역(6)에 공급되고, 상기 가스는 수소; 희가스; 질소; 산소; 암모니아; 메탄과 같은 알칸; 에탄과 같은 알켄; 아세틸렌과 같은 알킨; 모노실란(monosilane)과 같은 실란; 유기 금속 화합물 또는 금속 할로겐화물과 같은 금속 화합물 중 하나 이상으로부터 선택되는,
방법. - 내부 표면 상에 코팅을 갖는 중공 물품으로서,
상기 코팅은 제1 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 따른 장치 및/또는 제19 항 내지 제25 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 형성되는,
중공 물품.
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