KR950004782B1 - 금속화합물 피막의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

금속화합물 피막의 제조방법

제1도는 본 발명에 적용될 수 있는 이온플레이팅 장치의 일례를 나타내는 개략도.

제2도는 이온화전류(아이크 방전전류)에 따른 증착율 변화를 나타내는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 진공조 2,2' : 증발원

3,3' : 필라멘트 4,4' : 이온화전극

5 : 기판홀더 6 : 기판가열장치

7 : 셔터 8 : 반응개스 도입관.

본 발명은 내마모성이 요구되는 베어링과 같은 기계부품 및 장식용품등에 응용될 수 있는 금속화합물 피막을 반응성 이온플레이팅법에 의해 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 반응개스의 유량에 따라 아아크 방전전류를 제어하여 성분비가 일정한 금속화합물 피막을 제조하는 방법에 관한 것이다.

금속화합물 피막의 형성에는 전자빔이나 HCD(Hollow Cathode Discharge) 총 또는 아아크 방전을 이용하여 금속을 증발시키면서 반응개스를 도입하여 제조하는 반응성 이온플레이팅법을 사용하거나, 불활성 개스의 방전분위기하에서 반응개스를 도입하여 이루어지는 반응성 스퍼터링법이 주를 이루고 있다.

반응성 이온플레이팅법은 증발물을 증발시키는데 있어 고전압 저전류(전자총) 혹은 저전압 고전류(HCD-gun)의 전자빔을 이용하고 있으며, 금속화합물 피막의 형성시 성분비를 제어하는 증발율의 제어를 위해서 이들 전자빔의 출력을 제어하고 있다.

그러나, 이 방법을 사용할 경우 금속이 용융되고 있는 도가니의 형태나 용융량과 순도, 전자빔의 크기등 수많은 인자에 의존하여 증발율이 달라지기 때문에 이를 정확히 제어하는데는 한계가 있으며, 증발율의 제어를 위한 기준이 설정되어 있지 않으므로 증발율이 변하더라도 이를 판단할 수 없어 제어에 어려움이 있게 된다. 이러한 어려움을 해결하기 위하여 두께측정 및 제어장치를 이용하여 증발원의 전력을 제어하는 방법이 널리 사용되고 있으나, 이 방법 또는 석영단 결정센서(이하, "센서"라 칭함)의 수명이 짧고 이온플레이팅시 이온이 센서에 충돌함에 의해 센서의 온도를 변화시켜 증발율이 변화되는 고유의 문제점을 내포하고 있다.

한편, 반응성 스프터링에서는 타켓에 인가한 전력을 일정하게 하여 증발율을 제어하고 있으나, 이는 방전의 임피던스에 따라 전압 및 전류가 변하게 되고, 방전개스의 유량등에 따라서도 증발율이 변하게 되므로 이 또한 문제점을 내포하고 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서 반응개스의 유량과 아아크 방전전류(이온화전류)를 적절히 조절하므로서, 간단하게 증발율을 제어할 수 있음은 물론 화합물의 성분비를 제어 및 에측할 수 있을 뿐만 아니라 재현성이 있는 피막을 형성할 수 있는 향상된 금속화합물 피막의 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 진공조내에 설치되는 기판홀더, 이 기판홀더와 대향되게 설치되어 증발물질을 증기화시키는 증발원, 및 이 증발원에 인접하게 설치되어 증기를 이온화시키는 이온화전극을 구비하여 구성되는 이온플레이팅의 진공조내에 반응개스를 도입시켜 반응성 이온플레이팅에 의해 금속화합물 피막을 제조하는 방법에 있어서, 반응개스 유량을 200 SCCM 이하에서 일정하게 유지하고, 그리고 아아크 방전전류를 1-80A의 범위로 유지하여 피막의 화합물 성분비를 제어하는 금속화합물 피막의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 도면에 의해 상세히 설명한다.

제1도는 반응성 이온플레이팅에 의해 기판상에 금속화합물 피막을 제조하기 위한 통상의 이온플레이팅 장치를 개략적으로 나타낸 것으로서, 본 발명을 제1도를 통해 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의해 금속화합물 피막을 제조하기 위해서는 우선, 진공조(1)내의 기판홀더(5)에 피증착 기판을 장착하고, 증발원(2,2') 및 이온화전극(4,4')의 위치를 설정한 후, 상기 증발원(2,2')에 증발물질을 넣은 다음, 셔터(7)를 닫고 유회전펌프 및 부스터펌프(도시되어 있지 않음)를 사용하여 진공조(1)내의 진공도가 10^-2Torr까지 되도록 배기하고 유확산펌프(도시되어 있지 않음)를 사용하여 진공조(1)내의 진공도가 원하는 진공도에 도달되도록 한다.

진공조(1)네의 진공도가 원하는 값에 이르면 글루우방전 또는 고진공 스퍼터링에 의해 기판 청정을 행한 다음, 기판을 기판가열장치(6)에 의해 가열하는데, 이때, 가열온도는 500℃ 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 200-300℃이다.

그 이유는 상기 기판의 가열온도가 너무 낮으면 밀착성이 떨어지고, 너무 높으면 기판이 손상될 우려가 있기 때문이다.

다음에, 증발원(2,2')내의 증발물질을 증발시키면서 이온화전극(4,4')에 40-100V의 전압을 인가하여 아아크 방전을 유도시키게 된다.

이때, 이온화전극(4,4')에 인가되는 전압이 너무 낮으면 이온화전류가 낮아져 전류조절 범위가 작아지며, 전압이 너무 높으면 아아킹(arcing) 현상이 일어나 작동이 불가능하게 될 우려가 높아지므로, 이온화전극에 인기되는 전압은 40-100V로 설정하는 것이 바람직하다.

안정된 아아크가 발생하면, 아아크 전류의 크기에 따라 미리 정해진 반응개스를 반응개스도입관(8)을 통해 진공조(1)내로 도입하여 셔터(7)를 열고 반응성 이온플레이팅을 실시한다. 이때, 아아크 전류는 1-80A 정도로 설정하는 것이 바람직한데, 그 이유는 아아크 전류가 너무 낮으면 조절한계가 적고, 너무 높으면 장치의 효율이 저하되고 아아킹 현상이 일어날 확률이 커지기 때문이다.

또한, 반응개스의 유량은 200 SCCM(Standard Cubic Centimeter per Minute) 이하로 설정하는 것이 바람직한데, 그 이유는 상용의 이온플레이팅 장치에서의 배기용량과 증차율등이 200 SCCM 이하에서 동작하기 때문이다.

제2도에 나타난 바와같이, 이온화전류가 증가함에 따라 증착율이 거의 직선적으로 증가함을 알 수 있다.

제2도는 스텐레스 기판상에 Ti을 이온플레이팅 할 경우, 이온화전류와 증착율과의 관계를 나타낸 그래프로서, 이때, 기판 온도와 기판 바이어스전압은, 각각, 300℃, 300V이었고, 기판과 증발원과의 거리는 20cm이었다.

한편, 본 발명에서는 증발원의 증발물질이 이온화가 잘 일어나지 않는 금속일 경우에는 별도의 전자공급원인 필라멘트(3,3')를 사용하거나 불활성 개스를 도입한다.

이온플레이팅시 기판홀더(5)에 결합된 기판을 회전모터(9)에 의해 회전시켜주는 것이 바람직한데, 그 이유는 특히 복잡한 구조를 갖는 기판에 피막을 형성하는 경우, 보다 균일한 피막을 얻기 위함이다.

또한, 이온플레이팅시 기판에 바이어스전압을 걸어주는 것이 바람직한데, 그 이유는 이온에 에너지를 부여하여 밀착성을 좋게 하기 위함이다. 그러나, 바이어스전압이 너무 높으면 이온충돌에 의해 피막이 손상될 우려가 있기 때문에, 그 바이어스전압은 1000V 이하, 바람직하게는 100-500V로 선정하는 것이 바람직하다.

한편, 진공조(1)내의 진공도는진공게이지(10)에 의해 측정된다.

본 발명에 의해 금속화합물 피막을 제조하는 경우에는 제1도에 도시된 두께측정장치(11)는 필요없게 된다.

본 발명에 의해 제조할 수 있는 금속화합물 피막의 대표적인 예로서, Ti 화합물 피막, Cr 화합물 피막 및 Al 화합물 피막등을 들 수 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 각종 금속화합물 피막의 제조에도 적용될 수 있는 것이다.

이하, 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

실시예

제1도에 나타난 이온플레이팅 장치를 사용하여 하기 표 1의 조건으로 이온플레이팅 하여 TiN 및 CrN 피막을 형성한 다음 금속화합물 피막의 성분비를 분석하고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

본 실시예에서는 기판으로서 스텐레스 기판을 사용하고, 방전개스로는 Ar 개스를 사용하였으며, 필라멘트는 0.8mm 텅스텐선을 사용하였다. Ti의 경우에는 별도의 방전개스나 필라멘트를 사용할 필요가 없었으나, Cr의 경우에는 방전전류가 너무 낮거나 방전이 안정되지 않아, 이를 해걸하기 위하여 별도의 방전개스나 필라멘트를 사용하였다.

그리고, 하기 표 1의 성분비의 계산은 성분비를 알고 있는 표준시편과 더불어 오제 전자분광분석의 성분비 계산기법을 주로 이용하였으며, 필요한 경우 X-선 광전자분광분석과 X-선 형광분광분석을 동시에 이용하기도 하였다.

[표 1]

상술한 바와같이, 본 발명은 각종 금속화합물 피막의 제조시 성분비의 조절이 용이하여 재현성이 우수한 피막을 제조함은 물론 별도의 증발율 제어장치가 불필요하며 시간 및 원가절감을 가져오는 효과가 있는 것이다.

Claims (4)

1. 진공실내에 설치되는 기판홀더, 이 기판홀더와 대항되게 설치되어 증발물질을 증기화시키는 증발원, 및 이 증발원에 인접하게 설치되어 증기를 이온화시키는 이온화전극을 구비하여 구성되는 이온플레이팅 장치의 진공조내에 반응개스를 도입시켜 반응성 이온플레이팅 시킴으로써 금속화합물 피막을 제조하는 방법에 있어서, 반응개스 유량을 200 SCCM 이하에서 일정하게 유지하고, 그리고 아아크 방전전류를 1-80A의 범위로 유지하여 피막의 화합물 성분비를 제어하는 것을 특징으로 하는 금속화합물 피막의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 아아크 방전을 위해 이온화전극에 40-100V의 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 금속화합물 피막의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 기판의 가열온도가 200-300℃인 것을 특징으로 하는 금속화합물 피막의 제조방법.
4. 제1항에서 제3항중 어느 한항에 있어서, 금속화합물 피막이 Ti 화합물 피막 Cr 화합물 피막 및 Al 화합물 피막으로 이루어진 그룹중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 금속화합물 피막의 제조방법.