KR890000158B1 - 스펏터링(Sputtering)장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

스펏터링(Sputtering)장치

제1도는(a), 제2도(a) 및 제3도-제7도는 본 발명 스핏터링장치를 표시하는 개략 종단면도.

제1도(b) 및 제2도(b)는 본 발명장치에 있어서의 타겟음극을 표시하는 확대사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 진공용기 2 : 가스입구

3 : 배기구 4,5 : 타겟소자

6 : 피처리물홀더 7 : 자석을 내장한 전극

8 : 피처리물의 회전장치 9 : 가열장치

S : 피처리물 T : 타켓음극.

본 발명은 고속도강제 또는 초경합금제 등의 절삭공구, 고탄소강제 또는 스텐레스강제 등의 내마모재 등의 표면에 경질물질이나, 금속을 피복함에 사용되는 스펏터링장치에 관한 것이다.

종래, 예로서 절삭공군나 내마모부재의 특성을 향상시킬 목적으로 그 표면에 이온프레이딩법, 활성화 반응증착법 등의 물리증착법을 사용하여 경질물질과 금속 등을 피복하는 일이 행하여지고 있다.

그러나 이들 피복법에서는 고진공을 이용하기 위하여 설비의 보수점검에 많은 노력을 요하고 또한 피복에 방향성이 나타나 있기 때문에 피처리물의 피복이 곤란하여 생산성의 제한이 강제되고 더욱이 대량처리의 경우에 피처리물의 온도제어가 곤란하므로 능률좋게 확실한 작업을 행할 수 업는 등의 문제점이 있는 것이다.

본 발명자등은 상술한 관점으로부터 보수점검에 많은 노력들 요하지 않으며, 부착력이 높은 균일한 경질물질이나, 금속 등의 피복층을 피처리물의 표면에 그 형상에 제한됨이 없고 능률좋고 확실하게 실시할 수 있는 장치를 개발하고자, 특히 스핏터링장치에 착안 연구를 행한 결과 이하(a)-(f)에 기술하는 지식을 얻게된 것이다.

a. 제1도(a)에 개략 종단면에 표시한 바와같이 통상의 스핏터링장치에 있어서의 타겟(target)음극을, 마찬가지로 제1도(b)에 갸략사시도에 표시된 것과 같이 4개이상의 봉재, 관재 또는 판재로 소구리형으로 연결한 것을 T로하고 이 타겟음극 T를 피처리물 S를 포위하도록 배치하면, 피처리물 S를 균일하게 피복할 수 있음과 동시에 타겟의 구로우방전(glow discharge)에 의한 복사열에 의하여 피처리물을 균일하게 가열할 수 있고,

b. 상기 a항에 표시한 타겟음극 T에 있어서 구로우방전의 상태에 맞추어 인접 타겟소자의 간격을 5-10mm의 범위내에서 대략 같이하면 구로우방전에 의한 복사열의 외부에의 방산을 조절할 수가 있으므로 온도제어가 가능하며, 또한 이 온도 제어는 중요한 것으로 이것은 피처리물인 절삭공구, 내마모공구의 온도가 피복처리시에 과승하면 그 성능임 저하된다는 이유에 의한다.

즉 상기의 공구가, 예로서 고속도강제인 경우 템퍼링온도(통상 550℃-750℃)이상으로 가열하면 연화변형이 일어나고, 또한 마찬가지로 초경합금제인 경우에는 약300℃이상의 온도에 가열되면 피복층 직하의 공구표면에 확산층이 생기어 인성을 손상하게 되는 성능저하의 문제가 일어나므로 각각 상기의 온도이하의 온도에서 피복처리 할 필요가 있으나, 너무 저온애서의 피복은 피복층과 공구표면과의 부착강도가 약화되기 쉬운 문제가 있다.

또한 이 경우 온도를 나출목적으로 타겟음극의 인가전압을 낮추고 구로우방전을 억제하도록 함도 고려될 수 있으나, 타겟음극의 인가전압을 낮추면 피복층의형태 및 치밀도를 저하시키는 문제가 일어난다.

따라서 될 수록 타겟음극에의 인가전압을 높이어 구로우방전을 활발케하고, 그리고 각각의 공구의 연화점 이하 혹은 확산층 형성 온도이하의 최저 허용온도로 공구온도를 유지하여 대량 피복처리의 경우에도 온도의 불균형이나 피복불균형이 없도록 할 필요가 있으나, 이들 필요성에 대하여는 4개이상의 봉재, 관재, 혹은 판재를 5-10㎜정동의 동일 간격으로 소쿠리형으로 연결하여서된 타겟음극을 피처리물을 포위하도록 배치하므로서 충분히 대처하게 되는 것이다.

c. 상기 a,b항에 표시한 타겟음극 내부에 다시 1개이상의 봉재, 관재 또는 판재의 타겟소자를 설치하면, 피복처리가 일층 개선되게 되어 보다 균일하고 부착강도에 불균일이 없는 피복층을 얻게된다는 것.

d. 상기 a,c항에 표시한 타겟음극의 외측 또는 내측에 2개이상의 공지형의 평판상 또는 통상형 자석내장의 전극을 거의 같은 간격으로 배치하던가 또는 상기 타겟음극의 중심부에 전기한 전극을 배치하거나 또는 전기한 타겟음극의 외측 또는 내측과 중심부에 전기한 전극을 배치하면 피복속도가 일층 향상되게 된다는 것.

e. 스핏터링장치에 회전장치를 설치하여 피처리물을 회전시켜주면 피복층의 두께가 보다 균일하게 된다.

f. 스핏터링장치에 가열장치를 설치하면, 진공을 기내면, 피처리물 표면 및 타겟음극 표면 등에 부착하는 불순물이나 흡착가스의 제거 및 진공용내 온도제어에 도움이 된다는 것.

따라서 본 발명은 이상에서 얻은 지식에 근거하여 이루어진 것으로 스핏터링에 의한 피처리물 표면을 피복하는 장치에 있어서 접지 전위로 양극으로 한 진공용기의 내부에,

ⓐ 4개이상의 봉재, 관재 또는 판재를 5-100㎜의 거의 같은 간격으로 막힌 도형상에 배치하여 소쿠리형으로 연결하여서된타겟음극,

ⓑ 4개이상의 봉재, 관재 또는 판재를 5-100㎜의 등간격으로 막힌 도형상에 배치하여 소쿠리형으로 연결함과 동시에 이 소쿠리형 내부에 1개이상의 봉재, 관재 또는 판재를 배설한 형상의 타겟음극을 피처리물을 포위하도록 배치하고 다시 필요에 따라

① 상기 타겟음극의 외측 또는 내측에 2개이상의 판상 또는 통상자석내장의 전극을 같은 간격으로 배치하던가.

② 또는 상기 타겟음극의 중심부에 상기 전극을 배치하던가

③ 다시 상기 타겟음극의 외측 또는 내측에 2개이상의 상기 전극을 배치함과 동시에 그 중심부에도 상기 전극을 배치하던가 하며,

다시 필요에 따라서는

(가) 피처리물을 회전시키시 위한 회전장치

(나) 진공용기내를 예열 및 가열하기 위한 가열장치

이상 (가) 및 (나)의 장치의 어느 하나 또는 쌍붕을 설치하므로서 부착력이 극히 높은 경질물 또는 금 속의 피복층을 균일하고 능률좋게 확실히 형성시키도록 한 점에 특징이 있는 것이다.

또한 본 발명의 스핏터링장치에 있어서의 타겟음극에 관하여 닫힌 도형이란 원형, 다각형 또는 기타 임의의 폐쇄도형을 말한다.

또한 본 발명의 스핏터링장치에 있어서 타겟음극에 관하여, 우선 타겟소자인 봉재, 관재 또는 판재의 수를 4개이상으로 한 것은 4개미만의 타겟소자로서는 피처리물의 주위를 균등히 포위하기 곤란하여 그결과 균일한 피복층의 형성이 곤란하게 되는 이유 때문이다.

또한 타겟소자간의 간격을 5-100㎜로 한 것은 5㎜미만의 간격으로는 구로우방전에 의한 복사열의 외부에의 방산이 작고 온도가 상승하여 피처리물에 악영향을 미치게 되고 한편 100㎜를 초과한 간격이 되면 구로우방전이 약하게 되어 때로는 구로우방전이 연속하지 못하게 되어 균일한 피복층 형성이 곤란할 뿐 아니라 반응온도가 너무 낮아 피복층과 피처리물과의 부착강도도 약하게 되는 이유에 기초한 것이다. 또한 본 발명의 스핏터링장치를 사용하여 피복할 수 있는 금속으로서는 주기율표의 4a,5a 및 6a족 금속을 또한 경질물질로서는 상기 금 속의 탄화물, 질화물, 산화물, 탄질화물 및 탄질산화물과 산화알미늄 등을 실시할 수 있는 것이다. 다음으로 본 발명 스핏터링장치의 1예로서 개략종단면을 표시하며, 도시한 바와같이 가스입구(2) 및 배출구(3)를 가지는 진공용기(1)내에는 제1도(b)에 확대사시도로서 도시된 타겟음극 T이 배치되어 있다.

이 타겟음극 T는, 예로서 Ti와 같은 도전성금 속의 환봉(타겟소자)(4)를 원상에 거의 동일 간격으로 입설하여 소쿠리형사으로 연결하여서된 것이다.

그리고 이 타겟음극의 내부에는 피처리물 홀다(6)상에 재치한 상태로 피처리물S를 배치하고 타겟음극 T와 피처리물 S DP 소정의 전압을 인가함과 동시에 접지전위로 양극으로 한 진공용기(1)의 가스입구(2)로부 Ar,수소가스, 다시 반응성의 질소, 탄소 및 산소함유 가스 등의 반송가수와 반응가스의 혼합가스(스핏터링법에 있어서 주지된 것)를 도입하므로서 구로우방전을 야기하고 스핏터링을 행하므로서 피처리물 S표면에 경질물질이나, 금 속의 피복츠을 형성하는 것이다.

이 경우 타겟음극의 인가전압은 -0.3∼0.3KV가 적당하며, 이는 -0.3KV미만의 인가전압에서는 고구로우방전이 과도로 활발하여져 과도의 온도상승을 초래할 뿐 아니라 아크방전으로 이행되기 쉽게되고 한편 -0.3KV를 초과한 인가전압에서는 구로우방전이 일어나기 어렵게 되고 피복층이 형성되더라도 그 특성이 저하되게 되는 이유에 의한다.

또한 피처리물에의 인가전압에 대하여도 -2.0∼0.05KV로 함이 적당하며, 이 이유는 -0.2KV미만의 인가전압에서는 소위 역 스핏터링이 많아지고 피복층의 퇴적이상으로 역스핏터링속도가 빨라져 피복층이 생성되지 아니하며, 한편 인가전압이 -0.05KV 를 초과하면 역스핏티링현상이 과소하여 형성되는 피복층의 성질이 조악하게 되기 때문이다.

또한 스핏터링의 진공 또는 10^-3-0⁰torr이 적당하며, 10^-3rorr미만의 진공도에서는 구로우방전이 생기기 어렵게 되고, 한편 10⁰torr를 초과한 진공도로 되면 피복층중에 가스혼입이 많아져 피복층이 다공성으로 되기 쉽다.

또 제2도(a)에는 본 발명의 스핏터링장치가 마찬가지로 개략 종단면도로서 표시되어 있으며, 이 장치에서는 타겟음극 T로서, 제2도(b)에 확대사시도로 표시된 것, 즉 Ti와 같은 도전성금 속의 환봉(타겟소자)(4)을 원상에 거의 동일 간격으로 입설하여 소쿠리형상으로 연결됨과 동시에 그 내부에는 마찬가지로 도전성금 속의 환봉(타겟소자)(5)를 2본 배치한 형상의 타겟음극 T을 사용한 것만이 제1도에 도시된 장치와 상이한 것이다.

이 타겟음극의 사용에 의하여 피복층의 두께 및 그 균일성에 관하여 일층 개선된다.

또 제3-제6도에는 본 발명 스핏터링장치가 개략 종단면도로 어느 하나 또는 쌍방에 공지의 판상형(또는 통상형)자석내장의 전극(7)을 배치한 구조(외측배치의 경우는 2본 또는 4본의 전극을 대향배치)를 가지는 것으로 이 전극(7)의 배치에 의하여 피복속도가 일층 향삳되고 그리고 균일하고 부착강도가 높은 피복층의 형성이 일츨 확실하게 이루어진다.

또한 본 발명의 스핏터링장치에서는 제7도의 개략 종단면도로 도시된 바와같이 피처리물의 회전장치(2) 및 진공용기내을 예열, 가열하기 위한 가열장치(9)(어느 하나만 설치하여도 됨)를 설치하므로서 피처리물의 회전, 진공용기내의 분순물이나 흡착가스의 제거, 또는 진공용기내의 온도제어의 보조를 하여 보다 원활한 스핏터링의 실시르 행할 수 있는 것이다.

(실시예 1)

제2도(a) 및(b)에 도시한 장치를 사용하여 JIS규격 K10의 적삭용 초경합금제 폐기형 팁(눼 432)의 표면에 질화티탄(TiN)으로된 피복층을 형성하였다.

이 경우의 타겟음극 T는 직경 100㎜×높이200㎜의 치수를 가지며, 원상에 30-35mm 간격으로 직경 10mm의 Ti환봉을 배치 소쿠리형으로 연결한 구조를 가지며, 타겟전압은 -2.0KV, 피처리물(상기 팁)전압-0.8KV, Ar분압 2×10^-2torr, N₂분압 1×10^-2torr, 반응시간 2시간, 피처리물온도(반응 종료시의 온도)780℃의 조건으로 스핏터링을 실시하였다.

이 결과 평균층 두께 2㎛의 TiN피복층이 형성되고 이 피복층은 두께가 균일하고 부착강도가 높은 것이었다.

(실시예 2)

제4도에 도시된 장치를 사용하여 폭 20mm×길이 50mm×두께 5mm의 치수를 가지는 JIS, S45C제의 판재의 표면에 Ti피복층을 형성하였다.

이 경우 타겟음극 T는, 의경 200mm×300mm의 치수를 가지며 직경 10mm의 Ti환봉 16본을 원상에 거의 동일간격으로 입설하여 소쿠리형으로 연결함과 동시에 그 중심부에도, 직경 5mm의 Ti환봉 8본을 마찬가지로 원상에 거의 동일 간격으로 이비설 배치하여 직경50mm×높이 300mm로 한 타겟소자를 배치한 구조를 가진 것으로 사용하였다.

또한 상기 타겟음극 T의 외측에 같은 간격으로 배치된 전극(7)으로서는, 직경 15mm×높이 200mm의 Ti관내에 원통형자석을 내장시킨 것을 사용하여 이 전극을 4본 배치하였다. 그리고 스핏터링을, 구로우방전용의 타겟음극 T 의 이가전압 -1.0KV, 자석을 내장한 전국(7)(전국표면의 자속밀도 400가우스)의 전압 -0.25kv, 피처리물(판재)의 전압 -0.15KV, Ar분압 4×10^-2torr, 스핏터링시간 0.5시간, 피처리물의 온도 450℃의 조건으로 행하고 평균층 두께 2.5㎛로서 약간 주상결정의 조직을 가지는 미세 치밀한 Ti피복층을 형성하였다.

(실시예 3)

제3도의 장치를 사용하고, 피처리물인 폭 20mm×길이 50mm×두께 20mm의스텐레스강 판재의 표면에 Cu 피복층을 형성하였다.

이 장치에서의 타겟음극 T은 직경 13mm 의 Cu환봉 16분을 원상에 거의 동일간격으로 입설 배치한 소쿠리형으로 연결하여 외경 200mm×300mm 로 한 것을 사용하였다. 또 타겟음극 T의 외측에 동일간격으로 배치된 전극(7)으로서는, 외경 15mm×높이 200mm의 치수를 가지는 Cu관내에 원통혀아석을 내장한 구조를 사용하고 이를 4본 배치하였다. 또 이 전극은 표면자속밀도 400-430가우스를 가지는 것이다. 또 스핏터링은, 구로우방전용의 상기 타겟음극 T의 인가전압 -1.0KV, 자석을 내장한 전극(7)의 인가전압 -0.25KV, 피처리물의 전압 0.4KV, Ar분압 1×10^-2torr, 스핏터링시간 0.3시간, 피처리물 온도 320℃의 조건으로 행하여 피처리물인 상기 판재의 표면에 평균층 두께 3.2㎛로서 주상경절조직을 가지는 치밀한 Cu 피복층을 형성하였다.

상술한 바와같이 본 발명의 스핏터링장치에 의하면, 고속도강이나, 초경합금등으로 제조되는 절삭공구 또는 고속도강, 합금강 혹은 스텐레스강등으로 제조된 내마모부재 등의 표면에 그 형상에 제한됨이 없이 부착강도가 극히 높고 미세하고 치밀한 경빌물질이나, 금속의 피복층을 간단한 조작으로 그리고 능률좋게 확실히 형성시킬수 있는 것이다.

Claims (8)

1. 스핏터링에 의한 피처리물 표면을 피복하는 장치에 있어서, 접지전위로 양극으로한 진공용기의 내부에 4개이상의 봉제, 관재 또는 판재를 5-10mm의 거의 같은 간격으로 폐쇄된 도형상에 입설하여 소쿠리형상(Basket or cage)으로 연결하여서된 타겟음극을 피처리물을 포위하도록 배치함을 특징으로 한 스핏터링장치.
2. 상기 피처리물이 회전장치에 의하여 회전케함을 특징으로 하는 청구범위 제1항 기재의 스핏터링장치.
3. 상기 진공용기는 그 내부를 예열 및 가열하기 위한 가열장치를 구비함을 특징으로 한 청구범위 제1항 또는 제2항 기재의 스핏터링장치.
4. 상기 소쿠리상 타겟음극이 소쿠리의 내부에도 1개이상의 봉재, 관재 또는 판재를 배설한 형상을 가짐을 특징으로한 제1항 기재의 스핏터링장치,
5. 스핏터링에 의하여 피처리물 표면을 피복하는 장치에 있어서, 접지전위로 양극으로 한 진공용기의 내부에 4개이상의 봉재, 관재 또는 판재를 5-10mm의 거의 가티온 간격으로 폐쇄된 도형상에 입설하여 소쿠리형상으로 연결하여서된 타겟음극을 피처리물을 포위하도록 배치하고, 그리고 상기 타겟음극의 중심, 또는 외측과 내측 또는 중심 및 내외측에 2개이상의 판상형 또는 원총형 자석내장의 전극을 거의 같은 간격으로 배치함을 특징으로 한 스핏터링장치.
6. 상기 피처리물이 회전장치에 의하여 회전케함을 특징으로 한 청구범위 제5항 기재의 스핏터링장치.
7. 상기 진공용기내는 내부를 예열 및 가열하기 위한 가열장치를 구비함을 특징으로 한 청구범위 제5항 또는 제6항의 어느 하나의 항에 기재의 스핏터링장치.
8. 상기 소쿠리형상의 타겟음극의 소쿠리내부에 1개이상의 봉재, 관재 또는 판재를 설치함을 특징으로 한 제5,6항의 어느 하나에 기재된 스핏터링장치.

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