KR960000481B1

KR960000481B1 - 플라스틱에 전자파 방해 차단용 금속 피막 형성방법

Info

Publication number: KR960000481B1
Application number: KR1019930011436A
Authority: KR
Inventors: 한철우
Original assignee: 주식회사고진공산업; 한철우
Priority date: 1992-06-23
Filing date: 1993-06-22
Publication date: 1996-01-08
Also published as: KR940000602A

Abstract

내용 없음.

Description

플라스틱에 전자파 방해 차단용 금속 피막 형성방법

제1도 a)b)는 스퍼터링에서 발생되는 운동량 교환의 개략도.

제2도는 Ar⁺이온의 입사에너지에 따른 스퍼터링 일드를 나타낸 그래프.

제3도는 a)b)는 입사각에 따른 스퍼터링 일드의 변화를 나타낸 그래프.

제4도는 삼극 스퍼터링법의 개략도.

제5도는 자성 스퍼터링 장치를 나타낸 개략도.

제6도는 본 발명에 따른 자성 스퍼터링을 이용한 합금 피막방법을 나타낸 개략도.

제7,8,9도는 타겟을 구성하는 금속요소를 달리한 합금 피막방법의 또 다른 실시예들이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 타겟 2 : 이온

5 : 타겟원자 6 : 방출입자

7 : 음극 8 : 양극

9 : 모재 10 : +이온

11 : 텅스텐 필라멘트 12 : 증착이온

13 : 타겟 파워서플라이 15 : 필라멘트 파워서플라이

16 : 자석 17 : 모재이동장치

18 : Al-스테인레스강타겟 19 : Ag-스테인레스강타겟

20 : Cu-스테인레스강타겟 21 : Au-스테인레스강타겟

23 : 진공실

본 발명은 전도성이 매우 우수한 Al이나 Cu, Ag, Au, Ni, Cr 등 단일금속류중에서 임의로 하나 이상을 선택하여 스테인레스강과 합금하거나 또는 스테인레스강 그 자체를 타겟으로 만들어서, 합금박막을 형성하는 플라즈마를 응용한 진공증착방법을 이용하여 컴퓨터 등 전자제품 케이스로 사용되고 있는 비전도체 플라스틱 모재에 피막함으로써 최근 많은 논란의 대상이 되고 있는 전자파방해(Electromagnetic Interference : 통상 전자파 방해라 함)를 차단하는 방법에 관한 것이며, 밀착성이 우수하고, 모재의 요철에 따른 증착층의 두께 불균일성을 개선시킨 방법에 관한 것이다.

종래에는 무전해 도금법을 이용하여 모재에 전자파방해(EMI)차단 금속피막을 형성하였는데, 피막재료로써 촉매성이 강한 주기율 Ⅷ족 금속, 예를들어 Ni이나 Co등의 비철금속을 사용하였으며, 상기 무전해 도금법은 도금공정중 도금액에 화학 환원제를 첨가하여 사용함으로써 환경오염 문제를 야기시켰고, 도금액속에 모재를 담궈 피막층을 형성하는 상기 방법으로는 선택적인 단면도금이 불가능하여 단면도금을 실시해야 할 경우, 도금면 이외의 다른면은 마스킹(masking)하여 단면도금을 실시해야 하므로, 생산성이 저하되어 원가의 상승요인이 되었으며, 상기 무전해 도금법에서는 합금류를 도금할 수 없어, 이에 대체기술 개발이 시급히 대두되게 되었다.

또한, 최근 선진국에서는 진공증착 기술이 크게 산업화되고 전자파 방해(EMI)차단을 위한 여러방법들이 연구되고 있으며, 이들 중 진공상태하에서 타겟의 금속입자를 방출시켜 모재표면에 금속박막을 적층하는 일반 증착법은 대전방지와 표면번호를 위해 개발된 피막 형성방법으로, 작업압력이 10^-3torr 영역이어서 타겟으로부터 방출된 증착입자가 진공실내의 스퍼터 가스와 충돌, 산란되는 효과가 커 모재표면에 균일한 두께의 금속박막층을 형성하기 어려우며, 배치형태(Batch type)의 피막형성 방법이어서 밀착력 및 막특성의 제어가 난이하여 전자파 방해(EMI)차단 피막형성에 이용하진 못하고 있는 실정이다.

본 발명에서는 상기한 단점들을 개선하고자 자성 스퍼터링에 의한 피막 형성 방법을 이용하는데 스퍼터링법이 가장 많이 활용되고 있는 분야는 전자산업 분야이다.

스퍼터링법의 가장 큰 장점은 저온에서 증착과정을 수행하며, 화학 양론비를 이용하게 조절할 수 있고, 증착물질이 직선운동을 하므로 플라즈마에 노출되지 않는 부위는 증착되지 않아 단면 피막이 용이하며, 피막 재료에 관계없이 전도성 피막형성이 가능하고, 따라서 계면의 확산현상이 문제시 되는 전자재료용 박막에 매우 적합하다. 또한 모재의 형상을 제어하는 플라즈마 에칭도 동일진공 용기에서 진공파괴 없이 그대로 행할 수 있기 때문에 고밀도 집적회로에서는 필수적인 기술로 평가받고 있다. 전기저항재료, 접점재료, 자성재료, 기억디스크, 태양전지용 Si 박막제조, 그리고 최근 많은 관심의 대상이 되고 있는 초전도체 박막제조에도 스퍼터링 기술이 폭넓게 이용되고 있다. 광학분야에서는 레이저용 반사 또는 투과성막, 건축용 색유리, 안경렌즈, 카메라렌즈 등에 핵심기술로 이용되고 있으며, 화학용, 장식용 등에도 사용되는 등 여러분야에서 이용되어 왔으나 전자파 방해차단용 피막방법으로 이용되지는 못했다.

본 발명에서는 자성 스퍼터링 기술을 이용하여 밀착성과 두께 균일성이 뛰어난 박막을 플라스틱 소지(素地)상에 피복시킴으로써 전자파 방해를 매우 효과적으로 차단한다.

플라즈마 응용 진공증착법에는 스퍼터링법과 이온도금법, 그리고 PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition)법 등이 있는데 열에 매우 약한 플라스틱상에 전도성 금속을 피복하기 위한 방법으로는 스퍼터링이 최적이며, 본 발명에서도 이 기술을 주로 사용하였다.

이하 본 발명에 따른 자성 스퍼터링을 이용한 전자파 방해 차단용 피막방법에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

스퍼터링 기술은 물리증착법의 일종으로 그 원리를 간단히 살펴보면, 일정한 압력과 전력을 진공실내에 공급하여 주면 타겟(1) 주위에 플라즈마 방전이 발생하고 방전영역에 존재하고 있던 양이온들이 전기적인 힘에 의해 타겟(1) 표면을 가격하게 된다.

이때 가격하는 양이온의 운동에너지가 타겟(1) 표면에 존재하는 원자(5)들에게 전달되며, 이 에너지가 가격당하는 타겟 원자들의 결합에너지보다 크면 타겟원자들은 타겟으로부터 방출되어 나온다. 이러한 스퍼터링 현상을 탄성체의 충돌로 가정하여 제1도에서와 같이 간략하게 표현할 수 있다. 즉, Mi라는 질량을 갖는 이온(2)이 Vi라는 속도로 Mt의 질량을 갖는 타겟원자(5)를 향해 입사할 때 운동량 보존의 법칙에 의해 충돌 후 이온의 속도 Vi'는

Vi'={(Mi-Mt)/(Mi+Mt)} Vi …(1)

로 나타나며, 방출된 타겟원자의 속도 Vt'는,

Vt'={(2Mi)/(Mi+Mt)} Vi …(2)

로 표시될 수 있다. 위의 식에서 유의하여야 할 것은 입사되는 이온의 입사각이 타겟표면에 대하여 90°이고 충돌구들은 완전탄성체라고 가정하였다는 사실이다. 위의 식들에 의하면 입사이온의 충돌 후 속도가 Mi〉Mt일 경우에는 상기 이온이 타켓표면 내부로 침입할 것이고, Mi〈Mt인 경우에는 입사방향과는 반대방향으로 운동하게 될 것이다. 그러나 실제 스퍼터링에서는 앞에서와 같이 간단한 식으로 방출원자들의 움직임을 표현한다는 것은 불가능하며, 제1도의 (a)(b)에서와 같이 입사이온의 충돌에너지는 기본방출입자(Primary Knockon)와 저에너지 방출입자(Low Energy Knockon)로 나뉘어 주위에 존재하는 다른 원자들에게 전달되어 방출원자를 만들게 된다. 일반적인 스퍼터링 증착에서 방출원자들의 운동에너지는 10~40eV 정도며, 이것은 진공증착시 증착 원자들의 운동에너지보다 50~100배 정도 높은 것으로 보고되고 있다.

스퍼터링 현상을 이해하기 위해서는 스퍼터링 일드에 대한 고찰이 필요하다. 플라즈마로부터 타겟표면으로 입사되는 하나의 이온에 의해 방출되는 타겟원자들의 수를 스퍼터링 일드라고 하며, 다음과 같은 식에 의해 표현된다.

S=K{(Mi-Mt)/(Mi+Mt)²(E/Uo)α(Mt/Mi)} …(3)

여기서 K는 0.1부터 0.3까지 변화하는 상수이고, E는 입사이온의 에너지, Uo는 타겟원자의 결합에너지이고, α(Mt/Mi)는 Mt/Mi의 단순증가함수를 의미한다.

전형적인 질량비인 Mt/Mi=2에서 α는 약 0.3 정도이다. 제2도는 Ar⁺이온의 입사에너지에 따른 각종 타겟물질의 스퍼터링 일드를 나타낸 것으로 물질에 따라 매우 다름을 알 수 있다. 또한 스퍼터링 일드는 입사이온의 입사각에 따라서도 다르게 나타나며, 제3도에 도시된 바와 같이 입사각의 Secθ로 표시된다. 그러나 입사각이 증가하면 Secθ의 함수에서 벗어나기 시작하여 스퍼터링 일드의 최대치를 보인 후 타겟의 평면과 입사각이 평형하게 되는 θ=π/2에서 이 값은 0으로 떨어지게 된다. 대부분의 이온들은 타겟표면에 대해 수직으로 입사되고, 미량의 이온들이 가스분산효과에 의해 작은 입사각으로 입사되고 있을 뿐이다.

스퍼터링 기술중 가장 간단한 형태는 앞에서도 설명한 평면이극 장치며, 타겟에 가해지는 전류는 1∼20mA/cm², 압력은 10^-2torr 정도의 조건을 가진다. 그러나 평면이극법은 증착속도가 너무 느리기 때문에 산업화에 많은 제약이 따르는 것이 사실이다.

평면이극 스퍼터링법이 개발된 후 증착속도 증가를 위한 많은 연구가 있었으며, 그 결과 삼극 스퍼터링 장치가 개발되었다. 삼극법은 평면 이극법에 열전자 방출원과 방출된 열전자의 흐름을 조절할 수 있는 제3의 극이 존재하는 시스템이다.

제4도에 삼극법의 개략도가 도시되어 있다. 열전자 방출원으로는 텅스텐 필라멘트가 사용되며, 삼극법을 사용하면 열전자 방출에 의해 플라즈마 밀도를 높일 수 있기 때문에 증착속도를 높일 수 있다.

상기의 삼극법 외에도 비전도체 타겟을 사용하는 RF(Radio Frequency) 스퍼터링법과 전도성 타겟을 사용하고 반응성 가스를 유입하여 비전도성 박막을 형성시키는 반응성 스퍼터링법 및 자성 스퍼터링법이 있다.

앞에서 예를 든 플라즈마 응용 스퍼터링법 중에서 플라스틱상에 전자파 방해 차단용 전도체 피막을 형성하기에 가장 적합한 기술은 자성 스퍼터링법이다.

플라스틱 모재와 전자파 방해 차단용 박막간의 밀착력은 모재의 전(前)처리 과정에 의해 크게 영향을 받으며 본 발명에서는 다음과 같은 두가지 형태의 모재 전처리과정을 수행한다.

(1) 중성세제로 탈지→수세→중성세제 탈지→수세→온풍건조

(2) 중성세제로 탈지→수세→NaOH탈지(40%, 30~50℃)→수세→온풍건조

전술된 두 경우 모두 접착테이프의 시험결과 양호한 밀착력을 나타내었으며, 생산라인에서는 (1)번의 중성세제 탈지법이 매우 간편하므로 폭넓게 사용된다.

모재의 전처리 과정이 끝난 후에는 본 발명의 목적인 금속증착층을 형성시키게 된다.

제5도는 자성 스퍼터링 장치의 개략도를 나타낸 것으로 진공실(23)내에 타겟 (1)과 플라스틱 모재(9)를 대향되게 설치하고, 타겟 윗쪽에 자석(16)의 N극 및 S극이 교대로 오도록 배치하며, 타겟(1)쪽에는 음극(7)이, 플라스틱 모재(9)쪽에는 양극(8)이 오도록 회로를 구성한 자성 스퍼터링 장치를 사용하여 전기를 흘려 보내면 플라즈마 방전이 일어나고, 이온(10)이 타겟(1)을 타격하여 전도성 증착이온(12)을 방출시켜서 이 방출이온이 상기 플라스틱 모재(9)에 피복된다.

동일 압력조건에서 전자들이 중성원자들을 가격할 확률은 전자들의 이동거리에 비례하여 높아지므로, 타겟 주위에서의 나선운동은 전자들의 이동거리를 매우 증가시키고 이온화 확률을 높여 빠른 증착속도를 얻을 수 있고, 전기력선과 자기력선이 수직으로 교차하는 부위에서 최대 이온화 확률을 보이면서 고밀도 플라즈마 띠를 형성함으로써 국부적인 스퍼터링 현상이 발생함을 보여주고 있다.

본원 발명에서는 스퍼터링 장치내에 강자성체를 취부하여 사용함으로써, 종래보다 플라즈마의 밀도가 높아지고, 또 그 길이도 길어져 스테인레스강도 스퍼터링을 할 수 있다.

타겟의 종류는 플라스틱상에 전도성을 부여할 수 있는 금속이면 가능하나 플라즈마에 장시간 노출됨으로 인해서 플라스틱 모재의 변형 발생 우려가 있으므로, 전도성이 우수하고 모재와의 밀착력이 우수하도록 Cu, Al, Cr, Ag, Au, Ni 등의 단일금속류 중에서 임의로 하나 이상 선택하여 스테인레스강과 합금한 것이나 스테인레스강을 타겟으로 사용하되 상기 스테인레스강은 SUS 304, SUS 309, SUS 310, SUS 316, SUS 440 중에서 임의로 하나 선택되어 합금되어서 타겟으로 사용하거나, 상기 스테인레스강이 그대로 사용된다.

각 예의 박막에 대해 설명하면 아래와 같다.

본 발명에 따른 Al-스테인레스강과 Ag-스테인레스강의 합금박막의 예를 들면, 제6도에 도시된 바와 같이 한 진공실(23)에 Al-스테인레스강 타겟(18)과 Ag-스테인레스강 타겟(19)을 일정길이로 일렬로 배치하고 상기 타겟에 대향되게 평행 이동하는 모재 이동장치(17)를 이동시킴으로써 금속원소의 이온이 모재의 표면에 증착되어 합금 박막을 형성하거나 제7도에서와 같이 Ag-스테인레스강(19)과 Al-스테인레스강 (18)을 하나의 타겟으로 구성하고, 상기 타겟에 마주하여 모재(9)를 이동시키면서 혼합박막을 형성시키는 비평형 합금방법을 사용한다.

Al-스테인레스강-Ag-스테인레스강 또는 Cu-스테인레스강-Au-스테인레스강 등의 합금박막은 한 진공실에서 모재가 이동하면서 금속이온이 혼합되어 피막되므로 진공을 깨뜨리지 않은 상태를 유지할 수 있으며, Ag-스테인레스강타겟(19)의 위치와 모재(9)의 위치를 임의로 조절할 수 있으므로 합금 박막층의 Ag 비율을 용이하게 조절할 수 있고, 이 경우 종래 다층 박막에서 발생할 수도 있는 Al-Ag 계면에서의 밀착파괴를 제거할 수 있다는 장점을 갖는다.

Al 단일금속 피막은 4.5w/cm²의 타겟전력으로 5분 동안 증착시킴으로써 선저항 1Ω/cm 이하의 전도성을 얻은데 비해, Al-스테인레스강-Ag-스테인레스강 복합합금 박막은 Al 단일 박막보다 피막층 두께가 얇은 상태에서 선저항을 0.7Ω/cm 이하로 낮출 수 있으며, 진공을 깨지 않은 상태에서 Al-스테인레스강-Ag-스테인레스강 합금을 증착시킬 수 있다.

본 발명에서 Ag의 역할은 피막의 두께를 얇게 하며 전도성을 증진하기 위한 것으로 플라스틱의 열 변형을 극소화할 수 있으며, 피막층의 잔류응력을 최소화 함으로써 밀착력이 우수한 전자파 방해 차단박막을 얻을 수 있다. Ag의 경우 재료자체가 매우 고가이므로 0.5㎛ 이하로 매우 얇은 박막층을 형성하였으며, 본 발명에 따른 박막중 Al-스테인레스강-Ag-스테인레스강 합금박막이 가장 양호한 두께와 물성을 나타내었다.

Cu 단일금속의 경우 Al과 유사한 성질을 나타내었으며, 4.7w/cm²의 타겟전력에서 5분 동안 증착시켜 1Ω/cm 이하의 선저항을 갖는 양호한 전도체 피막을 제조할 수 있다.

또한 Cu와 SUS 304 스테인레스강의 복합금속으로의 전도체 피막을 제조할 수도 있다.

상기 여러 예들중 전자파 방해 차단에 가장 효과적이며 가격이 저렴한 것은 Cu-SUS 304 스테인레스강으로서 플라스틱 케이스에 전혀 변형을 주지 않고 0.2Ω/in²의 전기전도도를 보이며 스크레취 테스트에서 3N의 임계하중치를 나타내는 우수한 밀착성을 보였다.

이상의 자성 스퍼터링법에 의한 플라스틱에의 피막은 밀착성에 있어서 매우 우수함을 보이고 있다. 종래의 진공 도금법과 본 발명에 따른 스퍼터링 방법에 의한 Al 피복물의 밀착성에 대한 시험결과는 아래의 표 1과 같다.

[표 1]

본원 발명의 자성스퍼터링법에 의한 전자파 방해(EMI)차단 피막 형성 방법의 장점은 증착속도가 일반 증착법에 비해 빠르며, 10^-4torr 이하의 고진공영역에서 모재를 피막하므로 스퍼터 가스에 의한 증착입자의 산란이 매우 적어 모재 표면에 매우 균일한 두께의 금속피막층 형성이 가능하고, 여러개의 타겟을 사용함으로써 증착층의 성분을 임의로 조성할 수 있으며, 무전해 도금법에서 사용되던 화학 환원제등이 쓰이지 않아 환경오염에 대한 염려가 없고, 타겟으로부터 방출된 증착물질이 직선운동을 하기 때문에 플라즈마에 노출되지 않은 플라스틱 모재의 표면에는 증착물질이 적층되지 않아서 선택적인 단면피막이 용이하다는 점이다.

또한 본원 발명에서는 전도성이 좋은 Cu, Al, Ag, Au 또는 Ni의 비철금속과 스테인레스강과의 합금을 타겟으로 사용하여, 비교적 증착입자의 방출이 쉽고 전도성이 우수한 비철금속을 플라스틱 모재표면에 선(先)적층한 후, 상대적으로 입자의 방출이 어려운 스테인레스강의 입자를 후(後)적층시켜서 종래 방법에 비해 내구성, 내식성 및 표면강도와 전도성이 우수한 금속피막층을 형성하였고, 상기 스테인레스강이 비철금속에 비해 가격이 저렴하여 원가의 절감효과를 볼 수 있었다.

이상의 자성 스퍼터링법에 의하여 10,000Å/min의 증착속도를 얻을 수 있으며, 양극이나 모재로 운동하는 전자흐름을 제한해 줌으로써 열발생 없이 모재의 박막형성이 가능하므로 본 발명의 자성 스퍼터링법은 컴퓨터 등 전자부품 케이스로 사용되고 있는 플라스틱상에 전자파 방해 차단용 피막형성을 하는데 매우 유용한 방법이다.

Claims

타겟(1)을 플라스틱 모재(9)에 대향시켜 진공실(23)내에 설치하고, 상기 타겟 윗쪽에 자석(16)이 오도록 장치하여 타겟쪽에는 음극이, 플라스틱 모재쪽에는 양극이 오도록 회로를 구성하고 거기에 전력과 압력을 가하여 진공실내의 플라즈마 방전에 의하여 발생한 이온에 의하여 상기 타겟을 타격케 함으로써 전도성 증착물질을 방출케 한 후, 상기 전도성 증착물질을 상기 플라스틱 모재에 증착케 하는 전자파 방해 차단용 금속 피막 형성방법에 있어서, 상기 타겟을 스테인레스강만으로 하거나 Au, Ag, Al, Cu, Ni 중에서 하나 또는 둘 이상을 선택하여 스테인레스강과 합금한 것으로 함을 특징으로 하는 전자파 방해 차단용 금속 피막 형성방법.
제1항에 있어서, 상기 타겟은 서로 다른 금속을 일정길이로 일렬로 연결배치하여 하나의 판으로 설치하거나, 하나의 금속판 위에 다른 종류의 금속판을 간헐적으로 부착함을 특징으로 하는 전자파 방해 차단용 금속 피막 형성방법.