KR900000758B1 - 삼극관식 이온 플레이팅장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

삼극관식 이온 플레이팅장치

제1도는 본 발명장치의 개략도.

제2도는 본 발명에 사용되는 유확산펌프와 로타리펌프의 개략도.

본 발명은 이온플레이팅(ION PLATING) 방법에 의해 시료표면에 물질을 도금하는 장치를 제공함을 목적으로 하는 것으로서 종래에 주로 행하여졌던 단일 금속의 이온 플레이팅 뿐 아니라 질화물, 탄화물, 산화물 등 금속화합물을 도금할 수 있는 반응성 이온 플레이팅장치를 개발하는 데 그 특징을 두고 있다.

일반적으로 도금방법에는 크게 습식도금과 건식도금 두 가지로 대별되는데, 습식도금은 도금액의 폐수처리와 관련된 공해문제와 피도금체의 기하학적 형상에 따른 도금층 두께의 불균일성, 수소취성등이 문제시되어왔다.

건식도금은 다시 화학증착과 물리증착으로 구분되며, 물리증착법은 진공증착, 스퍼터링, 이온 플레이팅 등이 대표적인 방법으로 손꼽히고 있다. 물리증착법은 주로 진공하에서 도금이 이루어지며, 특히 스퍼터링과 이온플레이팅의 경우는 저압, 저온 플라즈마를 이용하여 도금하는 방법으로서 도금층과 시료의 밀착성, 증착속도, 증착물질과 반응기체와의 반응성 등의 면에서는 이온 플레이팅 법이 우수하다고 알려져 있다. 이와같은 장점으로 인하여 근래들어 트라이볼로지의 응용 분야로서 공구 및 금형등에 사용되는 초경질 피막코팅기술에 널리 응용되고 있다. 초경질 피막코팅을 위하여 이온 플레이팅 방법외에 화학증착법이 사용되고 있으나 이 방법으로는 증착시 온도가 높기 때문에 강재시료인 경우에는 적용이 불가능하므로 반응성 이온플레이팅방법이 필수적인 것으로 알려져 있다.

이온 플레이팅은 1960년대초에 개발된 기술로서 진공상태에서 음극시료와 양극시료사이에 고전압을 인가하여 방전을 일으킴으로서 음극에서 발생한 2차전자와 증발원으로부터 증발된 금속원자가 충돌하여 금속원자는 양이온으로 되며, 양이온의 금속입자는 음극으로 향하며 전자는 양극으로 향하게 된다.

한편 음극주위는 전자밀도가 높아져서 전체 프라즈마 전위값보다 더 한층 음의 값으로 전위가 형성되어 음극 강하 영역이 존재하게 되는데 음극강하 영역으로 이동한 양이온은 전위치의 변화에 의한 운동에너지로 변환되어 가속됨으로서 음극 표면을 충격하여 음극을 스퍼터링시키며 스퍼터링된 물질과 결합하여 다시 증착되거나, 음극시료 내부로 침입하게 되는 과정을 반복함으로서 도금이 이루어진다.

종래의 진공 증착법은 증발하여 이온화과정을 거치지 않고 시료 표면에 달라붙기 때문에 밀착성에 문제가 있으며, 저항체가열에 의해 피증발물을 증발시키는 증발 방식은 고융점 금속이나 화합물을 증발시키는 데에는 한계점이 있다.

본 발명에 의한 방식을 전자선을 이용하여 고융점 금속이나 화합물을 증발시키는데 용이하며 전자층 윗부분에 양극을 하나 더 설치하여 전자총에서 발사된 전자들을 진공용기중으로 유도하여 이온화율을 증발시키기 때문에 코팅속도가 빠르며 밀착성이 좋은 코팅층을 얻을 수 있게한 것이다.

본 발명에서는 이온 플레이팅 장치의 구성은 진공용기, 진공배기장치, 증발원, 글로우방전 전원부 및 음극치구장치, 이온화증대장치, 유량 조절장치로 구성되며 그 요지를 첨부 도면에 의하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 진공용기(1)은 증발물질(2)이 내입된 전자총의 증발원(3)을 사용하기 위하여 10^-5Torr이하의 고진공이 요구되므로 10^-3--10^-2Torr의 압력조건에서 증착이 이루어지는 증착실(A)과 증발원실(B)을 격막(C)으로 분리하여 각기 고진공배기기(4)로서 분리배기 시킨다.

따라서 분리배기를 시킴과 동시에 진공용기(1)을 개폐시키기 위하여는 용기를 상부실(5) 및 하부실(6)로 분리시키고 용기내의 각종 치구 장치등을 작업상 편리를 위해 하부실에 고정시키며 상부실을 모터(7)를 동력원으로 하는 기어로 승강시킨다.

진공용기(1)를 분리배기 시키기 위하여 고진공펌프로서 유확산펌프와 저진공펌프로서 로타리 베인펌프 1조로 구성된 고진공배기기(4)을 2개 설치하여 분리배기하여, 아래의 진공도 측정은 10^-5---10^-8Torr의 고진공 측정용으로 이온화 진공계 10^-3-----1000Torr의 저진공 측정용으로 열전대 진공계를 사용한다.

증발원(3)은 시료(8)에 도금될 증발물질(2)을 공급하는 장치로서 저융점 물질은 저항 가열식 방법으로 증발시키는 것이 편리하지만, 고융점 물질은 전원장치(9)의 전자총에 의한 충격으로 물질을 용해하여 증발시킨다.

특히, 전자총증발원(3)은 용해층위에 얇은 프라즈마 시즈(SHEATH)를 형성하여 2차전자의 공급원 역할도 하므로 이온플레이팅에 있어 적합한 것이다.

또한 초경질 화합물피막의 경우는 증발금속과 반응기체의 이온화에 의한 반응성이 필수적이므로, 이들의 이온화를 증대시키기 위하여 본 발명에서는 양전하 전극식인 시료홀더(10)에 설치된 음극시료(8)에 대하여 이온화를 증대 전원장치(11)에서 양으로 바이어스된 이온화 증대 전극(12)을 증발원(3)과 음극시료(8)사이 설치함으로서 증발원(3)위에 형성된 프라즈마 시즈로부터의 2차전자를 이온화 증대전극(12)으로 향하게 함으로서 증발되는 금속입자와 도입되는 기체 입자를 전자와 충돌시켜 이온화를 증대시킬 수 있도록 창출한 것이다. 이러한 이온 플레이팅에 있어서 밀착력의 향상은 에너지가 높은 양이온의 충격에 의한 것외에 증착전에 아르곤같은 불활성 기체로서 음극표면을 스퍼터 크리닝을 시켜줌으로서 시료표면의 청정화에 기인하고 또한 글로우 방전 전원장치(13)의 증착식 음극과 양극사이에 직류 고전압을 공급함으로서 양극과 음극사이에 방전을 유지시키며, 음극으로부터 2차전자의 발생 및 음극주위에 전압 강하영역을 형성하여 이온 플레이팅이 가능하게 된다.

특히 이온 플레이팅에서 사용하는 방전은 비정상 글로우 방전이므로 아크방전으로의 전이가 용이하게 된다.

따라서 전원장치를 아크방전으로부터 보호할 수 있게 하기 위하여 이 그로우 방전이 아크 영역으로 넘어감에 따라 아크에 의하여 시편의 일부에 전류집중 현상이 일어난 시편의 손상은 물론이고, 과전류가 흐름에 따라 전원공급장치(DC POWER SUPPLY)가 파괴되는 수가 있기 때문에 보호회로의 설치가 필수적이다.

즉, 과전류현상이 있으면 바로 감지하여, 전압을 낮추어 아크현상을 없애고 다시 전압을 올리게 하는 장치를 한 것이다.

또한 평면형상의 시료인 경우는 시료를 회전시킬 필요가 없으나, 3차원적 형상의 시료는 고정된 상태에서 증착할 경우 증발원에 대하는 면과 반대면의 증착층 두께가 불균일 하므로 시료를 회전시켜야 한다.

따라서 시료를 같이 스텝모터(14)를 사용하여 기어(15)으로서 적절한 회전수에서 회전시켜 주는 장치를 결합한 것이다.

또한 반응성 이온플레이팅시 프라즈마내의 증발되는 금속의 양과 가스도입관(16)으로 도입되는 기체의 양을 적절히 조절하여야만 증착 필름의 최적 화학양론(STVICHOMETRY)을 얻을 수 있게 됨으로 도입되는 기체의 양을 유량 조절밸브(17)로서 조정함으로서 일정한 기체 도입양을 유지시키며 이와 아울러 배기되는 기체의 양과 도입되는 기체의 양을 조절하기 위하여 진공용기와 고진공 펌프 사이에 트트로틀밸브(THROTTLE VALVE)를 설치하여 기체 방출양을 도입양에 맞추어 조절하는 것이다. 즉, 본 발명에서의 고진공배기기(4)는 유확산 펌프(4a)를 작동시키기 위하여 최소한 10^-2Torr 이하로 진공을 만들어야 한다.

로타리 펌프(4c)를 3웨이(WAY)(4b)로서 진공용기(1)에 바로 연결하여 10^-2Torr 이하로 만든 다음 3웨이밸브(4b)를 로타리펌프(4c)와 유확산펌프(4a)가 연결되게하고, 유확산펌프를 작동시켜 워트트랩(4d)를 경유스라이드(SLIDE) 밸브(4e')를 연다. 로타리 펌프는 10^-3Torr까지만 뽑을 수 있고 유확산펌프 10^-2Torr 이하에서 작동하여 약 10^-7Torr 이하까지 진공을 만들 수 있다.

따라서 고진공을 만들기 위하여 로타리 펌프와 유확산펌프를 직열 연결하여 사용하는 것이다.

이와 같이 된 본 발명은 기존의 진공증착법보다 밀착성이 우수한 피막을 얻을 수 있고 트라이볼로지(TRIBOLOGY)에 응용되는 코팅피막을 낮은 온도에서 얻을 수 있기 때문에 강재(STEEL)에도 적용가능하여 단일 금속의 증발에 의한 이온 플레이팅 뿐만 아니라 반응성 개스를 주입하여 반응성 이온 플레이팅에 의한 세라믹과 같은 초경질 피막을 얻을 수 있고 전자총 증발 방식으로 융점이 낮은 금속의 증발 뿐만 아니라 내화(REFRACTORY)금속 등 고융점 물질의 증발에도 응용되며 삼극관식 이온 증대 장치가 부착되어 이온화율이 높아 증착속도가 빠르며 밀착성이 우수한 피막을 형성할 수 있는 여러 가지 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 스텝모터(14)와 기어(14)에 의해 회전되는 시료홀더(HOLDER)(10)로서 시료(8)이 지지된 진공용기(1)아래 증발물질(2)이 내입된 전자총의 증발원(3)을 설치하고 증착실(A)과 증발원실(B)를 격막(3)으로 분리하여 각기 고진공배기기기(4)를 연동하며 진공용기(1)는 다시 상부실(5)과 하부실(6)로 분리하고 상부실은 모터(7)로서 승강되게 하며, 전원장치(11)을 증대전국(12)에 연결하여 음극시료(8)와 증발원(3)사이에 설치하고 시료(8)에는 보호회로가 설치된 글로우 방전 전원장치(13)를 연결하며 진공용기(1)의 하부에 유량조절밸브(17)이 설치된 가스도입관(16)을 배관하며 2개의 고진공배기기(4)의 구조는 로타리펌프(4a)을 3웨이밸브(4b)로서 진공용기(1)에 연결함과 동시 유확산펌프(4a)에 연결되고 유확산펌프(4a)는 워트트랩(4d)를 경유 스라이드 밸브(4e)로서 진공용기(1)에 연결되게 한 일연의 구조로 결합된 삼극관식 이온 플레이팅 장치.

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