KR920000532B1 - 무 개스 아아크 방전 이온 플레이팅 방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

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Description

무 개스 아아크 방전 이온 플레이팅 방법 및 그 장치
제1도는 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 이온 플레이팅 장치의 개략적인 수직 단면도와 여기에 부가되는 전기적 회로 구성도.
제2도는 제1도의 A-A선 단면에서 바라본 본 발명 장치의 필라멘트, 증발원 및 이온화 전극의 상호관련평면 배치도.
제3도는 본 발명 장치의 이온화 전극의 확대 사시도.
제4도는 필라멘트전류와 이온화 전극 전류의 관계도.
제5도는 이온화 전극의 전압-전류 특성도.
제6도는 이온화 전극 전류와 기판 전류의 관계도.
제7도는 기판의 전압-전류 특성도.
제8도는 Ti 이온 플레이팅시의 이온화전극의 전압-전류 특성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 진공챔버 2 : 기판 홀더
3 : 기판 4 : 개스도입구
5 : 증발원 6 : 필라멘트
7 : 이온화 전극 8 : 셔터
9 : 기판 절연 장치 10 : 온도조절 장치
11 : 기판 가열용 전원 12 : 기판 전압 인가용 전원
13 : 이온화전극용 전원 14 : 필라멘트용 전원
15,16 : 증발원용 전원
본 발명은 개스의 도입없이 저항 가열원만으로 이온 플리에팅을 가능하게 하는 무개스 아아크 방전 이온플레이팅 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
이온 플레이팅 기술은 부의 고전압이 걸린 기판에 이온화된 증발물질을 증착시킴으로써 진공 증착이나 스퍼터링 기술보다 치밀하고 밀착성이 강한 코팅층을 기판에 형성시킬 수 있다. 이렇게 형성된 코팅층은 물성이 우수하게 되며, 다양한 응용성을 가진다.
예를들면 내식 및 내마모성 재료, 장식용 재료, 절삭 공구용 재료, 광학용 재료, 반도체용 재료, 항공기용 재료 등 산업 전반에 걸쳐 이용되고 있다.
종래의 이온플레이팅 기술은 크게 이극직류방전(DC Diode Discharge) 이온플레이팅, HCD(Hollow Cathod Discharge) 이온플레이팅(일본국특허 62-287066), 다음극(Multi-Cathode)이온플레이팅, CA(Cathodic Arc) 이온플레이팅(미합중국 특허 4197175, 일본국특허 61-288063), RF(Radio Frequency) 이온플레이팅(일본국특허 60-155671, 일본국특허 62-284068)으로 대별되며, 주로 이온화율을 높이고 발생된 플라즈마의 안정성 향상과 코팅된 필름의 균일성을 높이기 위한 기술 개발에 노력이 경주되고 있다.
본래 이온플레이팅은 불활성 가스의 분위기에서 이루어졌으나 코팅된 필름의 물성 및 품질 향상을 위해 도입개스량을 줄이거나(고진공에서의 이온플레이팅; 다음극 이온플레이팅, HCD 이온플레이팅), 개스가 없는 상태에서도 이온플레이팅을 할 수 있는 장치도 개발되기에 이르렀다.
상기 이극직류방전 이온플레이팅 기술은 Ar 개스의 분위기(10-2-5×10-3Torr)에서 기판에 수 kV의 전압을 걸어 글로우 방전을 발생시켜 증발되는 물질을 이온화시키는 방법으로서, 이온화율이 낮고 저진공에서 이루어지며 기판에 높은 전압이 걸려 기판온도를 상승시켜 피막을 손상시키기 때문에 최근에는 거의 사용되고 있지 않다.
상기 다음극 이온플레이팅기술은 이극직류방전을 보완하여 이온화율을 높인 것으로, 증발원과 기판사이에 여러개의 이온화용 음극을 설치하고 있다.
이 기술은 이극직류방전법보다 이온화율이 높고 보다 고진공영역(10-3-10-5Torr)에서도 이온플레이팅이 가능하기는 하나 기판에 고전압을 걸어야 하는 문제점과 복잡한 공정의 문제점을 가지고 있다.
상기 CA 이온플레이팅 기술은 증발원과 전극사이에 낮은 전압을 걸어 아아크를 발생시켜 이온플레이팅을 하는 방법으로 아아크가 안정성이 없으며 금속만 가능하다는 단점이 있다.
상기 HCD법은 HC(Hollow Cathode)라고 부르는 내부가 비어 있는 전극을 이용하여 10-2-10-5Torr의 용기내에 HC와 도금체인 가열면(양극)을 맞대어 양단에 고주파가 중첩된 직류전원을 걸고 HC내에 플라즈마 발생용 개스로서 소량의 Ar 개스를 흘리면서 전류를 통하면, HC 내부의 Ar 개스는 고주파 전장에 의해 이온화되어 전자, 양이온과 중성개스가 혼합된 저압 개스플라즈마를 형성한다.
이때 형성된 HC 내부의 고밀도 전자가 양극인 증발물질에 조사되어 증발물질을 증발시킴과 동시에 이온화시키고 있다.
이 기술은 비교적 이온화율이 높고 낮은 기판전압을 사용할 수 있으나 방전영역이 글로우 영역이고 개스를 도입해야 하는 점과 가격이 비싸다는 점등의 단점이 있다.
상기 RF 이온플레이팅 기술은 고주파 진동 전장에 의한 2차 전자의 증식작용을 이용하여 이온화 방전을 유도하는 것으로 10-3-10-5Torr의 낮은 압력에서도 플라즈마가 유지되며 전자빔을 사용하면 개스의 도입없이도 증발원을 이온화시킬 수 있는 장점이 있다.
그러나 이 기술은 고주파를 사용함으로써 공정이 복잡해지고 가격이 비싸지며, 저항증발원에서는 무개스 이온프레이팅이 불가능하다는 단점이 있다.
따라서 종래의 이온플레이팅에서 살펴보면 기술의 향상을 위해 요구되는 것으로 첫째, 단순한 공정과 경제성, 둘째, 낮은 기판전압 및 이상 온도상승 방지, 셋째, 이온화율의 증대 및 발생된 플라즈마의 안정성, 넷째, 무개스 이온플레이팅의 가능성 등 4가지 요구조건이 있게 된다.
본 발명은 이들 문제점들을 해결한 것으로, 각각 한 개씩의 이온화전극과 필라멘트를 사용하여 안정된 아아크방전을 형성시킴으로써 이온화율을 높였고 공정의 단순화를 이루었으며 낮은 기판전압에서도 이온플레이팅이 가능하게 한다.
본 발명의 특징은 저항가열원을 사용하여 도입개스없이도 아아크방전 이온플레이팅을 할 수 있는 방법 및 그의 장치에 있다.
이하 본 발명을 설명한다.
제1도는 본 발명장치를 나타내고 있다.
여기에서 기판(3)은 통상 사용되고 있는 형태로 제작되며 스퍼터링에 의한 시편 청결 및 이온 플레이팅이 가능하도록 5kV 테프론 절연시켜 진공 챔버(1)상부의 기판 홀더(2)에 고정된다.
도면중에서는 도면의 불명료화를 피하기 위해 기판(3)과 기판홀더(2)의 결합구조는 생략하고 있다.
상기 기판 홀더(2)내에는 열선이 설치되며 이열선(도시생략)에는 온도조절장치(10)를 통한 기판 가열용 전원(11)이 인가되게 연결한다.
또한, 상기 기판(3)에는 기판전압인가용 전원(12)이 인가되게 연결하고, 진공챔버(1)와 기판과의 사이에는 이들의 절연을 위한 기판 절연장치(9)를 설치한다.
상기 기판(3)과 대향하는 진공챔버(1)의 하부위치에는 1 또는 2이상의 증발원이 설치되며 이들 증발원에는 각각의 증발용 전원(15,16)이 인가되게 연결한다.
도면에서는 예시적으로 두 개의 증발원(5,5')과 이들 증발원(5,5')에 대한 두 개의 증발용 전원(15,16)을 나타내고 있으며, 이들 증발원(5,5')은 저항 가열원을 이용하고 있다. 증발원(5,5')상에는 증발물질이 놓여진다.
상기 증발원(5,5')의 좌우양측에는 각각 필라멘트(6)와 이온화 전극(7)이 설치되며, 이들 필라멘트(6)와 이온화전극(7)은 좌,우 및 상,하 위치의 조절이 가능하게 설치된다.
이들에 대한 평면 배치상태를 제2도에서 도시하고 있다. 여기에서 이온화 전극(7)과 필라멘트(6)사이의 거리는 통상 5-15cm로 유지하며, 필라멘트(6)의 높이는 필라멘트(6)의 복사열이 증발원(5,5')상의 증발물질에 영향을 미치지 않을 정도로 5-10cm 거리를 유지한다.
또 이온화전극(7)이 증발원(5,5')과의 거리가 너무 근접하여 이상방전이 발생되지 않은 범위내에서 가능한 한 가깝게 위치시키며 증발원(5,5')과의 평행한 위치에서 약 3cm이내의 위치를 유지하게 설치한다.
상기 필라멘트(6)는 그 지름이 0.6-1cm이고 총 길이가 15-22cm인 텅스텐선을 사용하며 턴스텐선을 타원형으로 형성하여 설치한다.
이 텅스텐선 필라멘트(6)에는 수냉장치를 포함하고 있는 구리 블록을 통하여 필라멘트용 전원(14)이 인가되게 연결한다.
필라멘트용전원(14)은 20V, 100A의 교류 전원을 사용하며, 필라멘트(6)상에 흐르는 전류는 40-60A이다.
제3도는 이온화전극(7)의 사시도를 나타낸 것으로 높은 전류에 견딜 수 있도록 수냉이 되고 있는(도시생략) 구리 블록으로 형성되며, 전자가 충돌하는 면을 필라멘트(6)에 대해 경사지게 하고 필라멘트(6)보다 낮은 위치에 배치하여 필라멘트(6)에서 발생된 전자의 유효거리가 길어지게 한다.
또, 이온화전극(7)을 증발원(5,5')에 가까이 배치함으로써 증발원(5,5')에서 발생된 열전자와 2차 전자의 도움으로 증발물질의 이온화율을 높게한다.
이온화 전극(7)에는 이온화전극용 전원(13)이 인가되게 연결한다.
한편 증발원(5,5')은 저항가열원으로써, 텅스텐, 탄탈륨, 알루미나, 볼리브덴 보우트나, 텅스텐선을 사용 할 수 있으며, 증발원(5,5')과 기판(3)사이의 거리는 10-30cm내에서 조절가능하게 설치되며 본 실시예에서는 22cm를 유지시켜 설치한다.
또한, 증발원(5,5')과 기판(3)사이에는 좌,우로 회전하는 셔터(8)가 설치된다.
미설명부호 4는 개스 도입구로써 본 발명장치에 개스를 도입시켜 세라믹등에 이온 플레이팅을 실행하고자 할 때 사용된다.
이하 본 발명의 실행방법과 그에 따른 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 이온 플레이팅은 5×10-5-1×10-6Torr의 무개스 상태의 진공챔버 내에서 실행한다.
우선 증발원(5,5')과 필라멘트(6)와 이온화 전극(7)의 배치를 설정하고 증발원(5,5')상에 증발물질을 넣은다음 셔터(8)를 닫고 로타리 펌프를 이용하여 10-3Torr까지 펌핑한다. 이후 확산펌프를 이용하여 원하는 진공도(10-6Torr)를 만든다. 여기에 걸리는 시간은 약 30분이 소요되었다.
원하는 진공도가 유지되면 필라멘트전원(14)으로 상기 필라멘트(6)에는 20-30A의 전류를 흘려 가열시켜 필라멘트에 남아 있는 각종 개스를 펌프해낸 다음 이온화전극(7)에 이온화 전극용 전원(13)에 의해 40-60V의 전압을 인가한다.
이때 증발원(5,5')에 남아 있는 불순물을 제거하기 위해 충분히 낮은 전류에서 수분간 펌프해 내고 이후 필라멘트(6)전류를 40A이상으로 흘려 주면서 증발용 전원(15,16)을 조절하여 증발원(5,5')의 전류를 증가시킨다.
이에 따라 증발원(5,5')의 온도가 올라가서 증발물질이 증발되면 20A이 상의 아아크 방전이 일어나게 되는데, 이 아아크 방전이 안정하게 유지 될 때 셔터(8)를 열어 이온플레이팅을 실행하게 된다.
이에 앞서, 기판홀더(2)내의 열선이 온도조절 장치(10)를 통한 기판 가열용 전원(11)에 의해 가열되므로, 상기 기판 홀더(2)에 고정된 기판(3)은 일정온도(100-500℃)로 가열되게 되며, 이 기판(3)에는 기판전압인가용 전원(12)에 의한 전압이 인가되게 된다.
한편, 상기 아아크 방전 전류는 필라멘트(6)의 전류와 이온화 전극(7)의 전압과 진공챔버(1)의 진공도 그리고 필라멘트(6)와 이온화전극(7)의 배치위치에 의존하게 된다.
이 아아크 방전은 필라멘트(6)에서 발생된 전자가 일정 전압이 걸린 이온화 전극(7)으로 가속되면서 증발 물질을 이온화하고, 이온화된 양이온과 전자가 다시 증발물질을 이온화시키는 과정을 되풀이 하면서 유도되는 것으로, 본 발명에서는 이온화 전극(7)과 필라멘트(6)의 위치를 조절하여 상기 아아크 방전을 안정화시키고 있다.
이하에서 본 발명의 실시예를 설명한다.
[실시예 1]
Zn 이온 플레이팅
제4도에서 7도까지는 본 발명장치 및 방법을 이용하여 Zn을 이온플레이팅 할 때 발생된 여러 가지 변수에 따른 특성을 나타내고 있다.
이때 도입개스는 사용하지 않았으며 증발시 진공챔버(1)의 진공도는 5×10-5-5×10-6Torr을 유지하였다. 증발원(5,5')은 탄탈륨 보우트를 사용하였고 증발원(5,5')에 흐르는 전류는 각각 110A였다. 증발원(5,5')과 기판(3)사이의 거리는 22cm, 필라멘트(6)와 이온화전극(7)사이의 거리는 12cm이었으며 필라멘트(6)는 증발원(5,5')으로부터 6cm, 이온화전극(7)은 전류를 나타낸 그래프이다.
필라멘트전류가 40A이상이 되면서 이온화전극의 전류는 급격히 증가하여 55A이상이 되면 포화상태에 이르고 있음을 알 수 있다.
제5도는 발생된 아아크전류를 이온화전극(7)의 전압에 따라 나타낸 그래프이다. 60V까지는 거의 직선으로 증가하다 70V가 넘어서면서 포화상태로 됨을 알 수 있다.
제6도는 이온화전극(7)에 흐르는 전류와 기판(3)에 흐르는 전류 사이의 관계를 나타낸 그래프이다. 기판의 전류가 이온화전극에 흐르는 전류에 비례함을 알 수 있다.
제7도는 이온화 전극(7)에 흐르는 전류가 15A일 때 기판(3)의 전압에 따른 전류의 변화를 나타낸 그래프이다. 600V까지는 직선적으로 증가하다가 800V가 넘으면서 포화상태에 접근하고 있음을 알 수 있다.
[실시예 2]
Ti 이온플레이팅
제8도는 Ti을 이온플레이팅 할 때 발생된 아아크 전류를 이온화전극의 전압에 따라 나타낸 그래프이다. 이때 증발원(5,5')은 텅스텐 보우트를 2개 사용하였고 보우트에 흐르는 전류는 각각 300A였다. 그외 다른 조건은 Zn 이온플레이팅과 동일하다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 값싼 장비를 이용하여 챔버로의 개스의 도입없이도 저항가열원만으로 이온화율이 높은 이온플레이팅을 행함으로써 코팅의 제특성을 향상시켜 경제성 향상 및 상업화를 가능하게 한다. 특히 증기압이 높아 진공 챔버를 오염시키는 물질을 이온플레이팅할 때 필라멘트의복사열과 이온화전극에 의해 형성된 전장에 의해 챔버의 오염을 막아주는 부수적 효과도 얻을 수 있다. 또한 본 발명을 통해 산업적으로는 우수한 품질의 박막을 제작할 수가 있어 부식 및 방식 방지용 코팅, 장식용 코팅, 공구류 코팅, 광학코팅, 반도체 코팅에 응용할 수 있으며, 상기한 본 발명장치에 반응 개스를 도입하면 각종 세라믹의 코팅에 응용이 가능하다.

Claims (8)

  1. 진공챔버(1)의 상부에는 기판가열용열선을 내장한 기판홀더(2)가 설치되고; 상기 기판홀더(2)에는 기판전압이 인가되는 기판(3)이 고정되고; 상기 기판(3)에 대항되는 진공챔버(1)의 하부에는 각각의 증발용 전원을 가지는 1개이상의 증발원(5,5')이 설치되고; 상기 기판(3)과 1개 이상의 증발원(5,5')사이에는 셔터(8)가 설치되여 구성되는 아아크 방전을 이용한 이온플레이팅 장치에 있어서, 상기 증발원 좌,우측에는,상,하,좌,우 조절이 가능하며 각각 AC 및 DC 전압이 인가되는 필라멘트(6) 및 이온화전극(7)이 각각 설치되고; 상기 이온화전극(7)은 아아크방전을 유도하기 위해 증발원(5,5')바로위에 설치되어 구성됨을 측징으로 하는 무개스 아아크 방전 이온플레이팅 장치.
  2. 제1항에 있어서, 필라멘트(6)는 수냉장치를 포함하는 구리블록을 통하여 필라멘트용 전원(14)에 연결되며 타원형의 텅스텐선인 것을 특징으로 하는 무개스 아아크 방전 이온플레이팅 장치.
  3. 제1항에 있어서 이온화전극(7)은 필라멘트(6)에 대해 경사면을 가지는 구리 블록으로 형성되며 필라멘트(6)보다 낮은 위치에서 설치되는 것을 특징으로 하는 무개스 아아크 방전 이온플레이팅 장치.
  4. 제1항에 있어서, 증발원(5,5')은 저항 가열원인 것을 특징으로 하는 무개스 아아크 방전 이온플레이팅 장치.
  5. 제4항에 있어서, 저항가열원은 텅스텐 보우트, 볼리브덴 보우트, 탄탈륨 보우트, 알루미나 보우트, 텅스텐선중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 무개스 아아크 방전 이온플레이팅 장치.
  6. 아아크방전을 이용한 이온 플레이팅 방법에 있어서, 증발원(5,5')과 필라멘트(6)와 이온화 전극(7)의 배치 위치를 조절하고 증발원(5,5')에 증발물질을 배치하고 셔터(8)을 닫은 다음 로타리 펌프와 확산펌프를 이용하여 소정의 고진공도를 확보하는 단계와, 필라멘트(6)와 이온화전극(7)에 각각 저 전류와 저 전압을 인가하여 증발원에 남아 있는 불순물을 제거하기 위한 무개스화 단계와, 필라멘트(6)의 전류를 증가시켜 증발원(5,5')상의 증발 물질의 이온화에 따른 고전류 아아크 방전을 일으키는 단계와 상기 아아크 방전의 조절 및 안정화 이후 셔터(8)를 열어 이온플레이팅을 실행하는 단계를 포함하는 무개스 아아크 방전 이온플레이팅 방법.
  7. 제6항에 있어서, 로타리펌프와 확산펌프에 의한 진공챔버(1)의 진공도 10-6Torr이하인 것을 특징으로 하는 무개스 아아크 방전 이온플레이팅 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 아아크 방전의 조절이 필라멘트(6)와 이온화전극(7)의 위치 조절을 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무개스 아아크 방전 이온플레이팅 방법.
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