KR960002632B1 - 재료의 플라즈마 증진 마그네트론 스퍼터 전착 장치 및 방법 - Google Patents

재료의 플라즈마 증진 마그네트론 스퍼터 전착 장치 및 방법 Download PDF

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휴우즈 에어크라프트 캄파니
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Abstract

내용 없음.

Description

재료의 플라즈마 증진 마그네트론 스퍼터 전착 장치 및 방법
제1도는 본 발명 장치에 대한 개략도.
제2도는 본 발명 장치의 다른 실시예에 대한 개략도.
제3도는 본 발명 장치의 또 다른 실시예에 대한 개략도.
제4도는 본 발명의 표면 처리 방법과 미합중국에서 본 발명과 동시에 출원된 미합중국 특허 출원에 기재된(흑연을 제거한) 특수한 표면 처리 기술을 사용하여 질화 티타늄 피복이 제공된 주철 블럭과 그러한 피복 및 방법을 거치지 않은 주철 블록에 대한, 1mil(0.0025㎝)이상의 측정가능한 마모를 갖는 위치들의 총 수를 비교한 도면.
제5도는 종래의 반응 증발 방법에 의해 처리된 주철 블럭과 비교한 본 발명에 따라 처리된 주철 불럭의 마찰 사이클 수의 함수로 주어지는, 제거된 피복량과 누적 사이클 좌표 상의 마모량(질화 티타늄 피복의 제거량)을 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 플라즈마 증진 마그네트론 스퍼터 전착 장치
12 : 챔버 16 : 플라즈마
18 :스퍼터 타겟 공급원 20 : 기판
22 : 바이어스 및 활성화 수단 28 : 바이어스 수단
36 : 자석 40 : 필라멘트
본 출원은 발명의 명칭이 "탄소질 재료 상에 질화 티타늄을 전착하기 위한 표면 예비 처리 및 전착 방법(Surface Preparation and Deposition Method for Titanium Nitride onto Carbonaceous Materials)으로서 미합중국에서 본 출원의 대응 미합중국 출원과 동일 자로 출원된 것과 관계가 있다.
본 발명은 이온-도움 스퍼터 전착(ion-assisted sputter deposition)에 의해 넓은 면적의 기판 상에 단단한 피복을 전착하는 것, 특히, 표면에 동시에 높은 선속(flux)의 이온 충격력으로 마그네트론 스퍼터링 전착하는 것에 관한 개선된 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱이, 본 발명은, 기판을 조정하지 않고서도, 큰 면적의 삼차원의 불규칙한 형상의 물체 상에 단단한 박막을 저온(≤450℃)에서 플라즈마-이온-도움으로 높은 수율로 전착하는 것에 관한 것이다.
낮은 기판 온도, 즉 약 450℃ 이하의 온도에서 단단한 피복을 형성하기 위해서는, 박막 방법은 동시에 여러조건을 만족시켜야 한다. 예컨대, 기판 상에 질화 티타늄의 단단한 피복을 전착시키는 것을 생각해 보자. 제1의 요건은 티타늄과 같은 고에너지(수 eV) 원자가 균일하게 기판 표면에 분배되어야 한다는 것이다. 에너지 원자를 사용하는 것은 전착된 피막을 저온에서 핵 생성시키고 성장시키도록 기판 상에서의 원자 이동성을 향상시키는데 도움을 준다. 다른 요건은 기판의 표면이 균일하게 가열되어야 한다는 것과, 전착된 피막에, 피막 미세 구조가 단단한 피복을 형성하는데 영향을 주기에 충분한 높은 선속(〉1mA/㎠)의 고에너지(〉50eV) 이온(예컨데, 아르곤 이온) 충격을 동시에 가해야 한다는 것이다.
이온 충격(〉1mA/㎠,〉50eV)에 의하면, 피복의 경도가 이온 충격이 없는 피복의 경도에 비해 3배 이상 증가된다. 질화 타타늄의 경우, 이것은 이온 충격의 존재하에 빅커스(Vickers) 경도가 500㎏/㎟에서 1, 500㎏/㎟으로 증가되는 것에 해당한다.
스퍼터링은 표면상에 박막을 전착하기 위해 고에너지(약 5eV) 티타늄 원자를 만드는 공지된 기술이다. 열적으로 증발된 티타늄은 약 0.1 내지 0.2eV의 에너지를 갖는데, 이는 저온 피막 성장을 위한 충분한 에너지를 제공하기에는 일반적으로 충분하지 않다. 이온화된 티타늄은 스퍼터링된 티타늄 원자보다 큰 약 50 내지 100eV의 에너지를 갖는다. 그러나, 박막을 뾰족한 코너에 균일하게 전착하는 경우, 이온화된 원자는 균일하지 않은 전장(electric field)으로 인하여 균일하지 않게 전착되는 반면에, 에너지 원자는 전장에서 반응하지 않는다. 따라서, 에너지 스퍼터링된 원자가 저온에서 모서리, 코너 및 평탄면에 균일한 전착을 하기에 보다 적합하다.
전자 충격 또는 이온 충격은 박막 전착 전에 기판을 가열하기 위해 수행될 수 있는 공지된 기술이다. 또한, 이온 비임 또는 플라즈마는 박막 전착 중에 기판에 충격을 가하고 피막의 미세 구조에 영향을 주기에 충분한 이온 선속을 제공하는 공지된 기술이다.
질화 티타늄과 같은 박막을 전착하기 위해 다양한 기술들이 사용된다. 그러한 기술들은 반응 증발[RE(reactive evaporation)], 아크 증발(arc evaporation), 스퍼터-CVD(화학적 증착, Chemical Vapor Deposition), 반응 마그네트론 스퍼터링(reactive magnetron sputtering), 비균형 마그네트론 스퍼터링(unbalanced magnetron sputtering) 및 중공 음극 마그네트론 스퍼터링(hollow cathode magnetron sputtering)을 포함한다.
반응 증발(RE)을 이용하는 방법은 발명의 명칭이 "진공 피복 플랜트에서 물질을 증발시키기 위한 방법 및 장치"인 미합중국 특허 제4,197,175호에 개시되고 권리 주장되었다.(이하 "RE 방법"이라 한다.) 이 방법에서, 전자들은 별도의 아크 방전 챔버로부터 공정 챔버로 추출된다. 전자들은 도가니로부터 티타늄 금속을 증발시키고 증발된 티타늄 원자들을 이온화시킬 뿐만 아니라 공정 챔버 내의 Ar 및 N2가스 원자들을 이온화시키는데 사용된다. 기판 시료들은 기판을 가열하기 위해 아크 방전 챔버로부터 전자들을 끌어당기기 위해 먼저 양으로 바이어스된다. 그 다음에, 시료는 전착 중에 기판 온도를 유지할 뿐 아니라 기판 표면을 스퍼터-세척하고 이어서 피막 미세 구조에 영향을 미치도록 전착 중에 피막에 충격을 가하는 Ar+이온을 끌어당기도록 음으로 바이어스된다.
전술한 방법에는 많은 문제점들이 존재한다. 전자 비임이 Ar+및 N2 +플라즈마 생성과 도가니로부터의 티타늄 원자의 증발과 그들의 연속적인 이온화에 사용되기 때문에 티타늄의 증발과 시료의 이온 충격은 독립적으로 제어될 수 없다. 티타늄은 실제적으로 점원(point source)으로부터 증발되는데, 이것은 이 공정의 대규모화를 제한한다. 시료를 회전시키는 것을 포함하는 복잡한 시료 혼합과 시료 조작이 필요하다. 증발기로부터의 티타늄의 이온화가 고도로 진행될지라도, 기판의 표면상에 전착된 티타늄의 상당한 양은 중성 티타늄 원자로 구성된다. 이들 원자들은 열적으로 증발된 원자의 특성 에너지, 즉 0.1 내지 0.2eV의 에너지를 갖는다. 이러한 낮은 에너지로 인하여, 단단한 질화 티타늄 피막을 전착하기 위해서는 약 500℃의 높은 기판 온도가 요구된다.
요약하면, RE 방법의 경우, 피막 미세 구조에 영향을 주기에 충분한 정도로 피막 전착과 동시에 기판 표면에 아르곤-이온 충격을 가함으로써 피막 성장이 이루어진다. 그러나, 전착된 티타늄의 상당량(〉30%)은 단단한 박막 성장을 위해 높은 기판 온도(500℃)를 필요로 하는 저에너지(0.1 내지 0.2eV)의 티타늄 원자 형태이다. 또한, 아르곤-이온 플라즈마-생산 공정이 티타늄-원자 증발 및 이온화 공정에 연결되고, 이는 각 공정의 독립적인 제어를 허용하지 않는다. 게다가, 티타늄 원자가 점 증발원에 의해 공급되기 때문에, 복잡한 시료 조작이 필요하고 대형시료를 처리하는 능력이 제한을 받는다.
발명의 명칭이 "공작물의 적어도 일부를 피복하기 위한 스퍼터-CVD 방법"인 미합중국 특허 제4,992,153호에 개시되고 권리 주장된 것과 같은 스퍼터-CVD에서는, 아르곤일 수 있는 별도의 플라즈마의 존재 하에 단단한 피막을 성장시키기 위해 기판 상에 전착되는 스퍼터링된 원자들을 생성시키기 위해 자기장-도움 스퍼터링 장치가 사용된다. 기판은 회전되고 스퍼터 타겟 공급원은 고정된 위치에 유지된다. 스퍼터링이 대규모의 전착에는 적절하지만 스퍼터-CVD 방법에는 여러 제한이 존재한다. 그 중에서 중요한 것으로는 기판이 전기적으로 부상(floating)하거나 또는 플라즈마에 대하여 양으로 바이어스된다는 사실이다.
기판이 전기적으로 부상하는 것이 허용되는 경우, 플라즈마로부터의 이온 충격은 피막 미세 구조에 영향을 미치게에 충분하지 않다. 발생하는 어떤 이온 충격도 플라즈마 상태를 변경시키지 않고 제어될 수 없다.
기판이 플라즈마에 대하여 양으로 바이어스될 때, 플라즈마로부터의 전자들이 이온 대신 기판에 충격을 가한다. 따라서, 이 작동 모드에서는, 이온들은 피막의 미세 구조에 영향을 미치지 않는다. 대신에, 이를 수행하기 위해 전자 가열에 의존한다.
스퍼터-CVD 방법의 다른 제한은 대규모의 처리 능력을 심각하게 제한하는 단지 하나의 스퍼터 타겟 공급원만을 사용한다는 것이다. 따라서, 대형의 삼차원의 불규칙한 형상의 기판을 처리하기 위해서는 성가신 기판 조작이 필요하다.
요약하면, 스퍼터-CVD 방법의 경우, 피막 성장이 고에너지(수 eV) 스퍼터링된 티타늄 원자를 통하여 발생하나, 낮은 기판 온도에서 단단한 박막을 성장시키는데 결정적인, 피막 미세 구조에 영향을 미치기에 충분한, 기판의 동시적인 이온-충격이 없다. 대신에, 전자 충격 가열이 이 역할을 수행한다. 또한, 스퍼터-CVD 방법 역시 대형의 삼차원 물체를 처리하는 능력에 한계가 있다.
마그네트론 스퍼터링은 박막의 대규모 전착용으로 잘 개발된 방법이고, 1989년에 뉴저지 소재의 노이스 출판사(Noyes Publications)에서 제이. 쿠오모(J. Cuomo) 등에 의해 출판된 "이온 비임 처리 기술의 핸드북 : 기본 원리, 전착, 피막 변형 및 합성(Handbook of Ion Beam Processing Technology : Principles, Deposition, Film Modification and Synthesis)"에 게재된 피. 마딘(P. Martin) 및 알. 네터필드(R. Netterfield) 등의 "이온 도움 절연 및 광학 피복(Ion Assisted Dielectric and Optical Coatings)"에 개시되어 있다. 스퍼터링된 원자들은 통상 수 eV(5eV)의 에너지를 갖고 기판 표면에 도달하는데, 이것은 전술한 반응 증발기술과 비교하여 피막의 전착 온도를 50 내지 100℃ 정도 낮게 한다. 그러나, 저온(450℃ 미만)에서의 박막의 성장의 경우, 단단한 내저항성 TiN 피막의 형성을 의해 높은 전류 밀도(〉1mA/㎠)의 고에너지(〉50eV) 이온 충격이 필요한 것으로 알려져 있다. 또한, 일반적인 마그네트론 스퍼터링 시스템에서, 플라즈마는 스퍼터 타겟 공급원 바로 근처에 한정된다. 기판 표면을 바아어스하는 것은 고품질의 단단한 박막을 형성하기 위해 충분한 이온들이 마그네트론 플라즈마로부터 집적되는 것을 허용하지 않는다.
이러한 제한을 우회하기 위해, 두 가지 기술이 개발되었다. "진공 과학 및 기술 에이 저널(Journal of Vacuum Science and Technology A)" 제4권, 제3호의 453 내지 457페이지(5월-6월, 1986)에 게재된 비. 윈도우(B. Window) 및 엔. 사비데스(N. Savvides)의 "높은 이온 전류 밀도 공급원으로서 비균형 직류 마그네트론"에 기재된 비균형 마그네트론 기술과 "진공 과학 및 기술 에이 저널"의 제4권, 제3호의 393 내지 396페이지(1986년, 5월-6월)에 게재된 제이. 제이. 쿠오모(J. J Cuomo) 및 에스. 엠. 로스나겔(S. M. Rossnagel)의 "중공-음극-증진 마그네트론 스퍼터링"에 기재된 중공 음극 마그네트론 스퍼터 타겟 공급원 기술이 그것이다.
비균형 마그네트론 기술의 경우, 마그네트로 스퍼터 타겟 공급원에서의 자장은 자장선들이 기판 표면으로 연장하도록 조정 및 제어된다. 이것은 기판 표면 근처의 플라즈마 밀도를 증가시켜 기판 표면에 충격을 가하는 이온의 자속률(flux rate)을 향상시킨다. 그러나, 이 방법의 사용에는 제한이 있다.
우선, 플라즈마의 유일한 공급원이 마그네트론 공급원 그 자체이다. 따라서, 자장이 플라즈마 밀도에 영향을 주기 위해 독립적으로 변할 수 있을지라도 아르곤-이온 충격은 마그네트론의 작동에 연결된다. 더욱 중요한 것은 비균형 마그네트론의 자장 형상은 삼차원 형상을 갖거나 자성을 갖는 대규모 기판을 효율적이고 균일하게 처리할 수 없다는 것이다. 예를 들면, 30.48㎝×30.48㎝(1ft×1ft) 크기의 주철(자성 재료)기판을 처리하기 위해서는, 마그네트론으로부터 먼거리까지 연장되고 물체의 큰 크기를 덮을 수 있도록 마그네트론에서 매우 센 자장이 발생되어야 한다. 따라서, 비균형 마그네트론의 작용은 기판의 형상과 크기에 의존하고 각 기판에 대하여 다르게 조절되어야만 한다. 또한, 주철이 자성을 갖고 있기 때문에, 이것은 마그네트론으로부터 연장되는 자장선을 균일하지 않게 종료시켜, 균일하지 않은 플라즈마와 플라즈마 이온 충격에 의한 기판의 연속적인 처리를 일으킨다. 이 경우에, 기판 크기, 형상 및 형태(자성 대 비자성)는 마그네트론의 플라즈마 생성 공정의 하류에 연결된다. 마지막으로, 기판 표면에 대한 전자 가열 및 아르곤-이온 스퍼터 세척이 수행될 수 없는데, 이는 플라즈마의 유일한 공급원이 마그네트론 공급원이므로 플라즈마가 한 번 생성되면 필연적으로 티타늄 원자를 생성하기 때문이다.
요약하면, 비균형 마그네트론 방법의 경우, 피막 성장이 고에너지(수 eV) 스퍼터링된 티타늄 원자를 통하여 발생하고, 동시에 플라즈마로부터의 높은 전류 밀도의 에너지 이온 충격이 피막 미세 구조에 영향을 미친다. 그러나, 플라즈마 생성은 마그네트론으로부터 연장하는 자장에 접속되어, 각 변수에 대한 독립적인 제어를 허용하지 않는다. 또한, 이러한 방법은 자성 재료뿐만 아니라 대규모의 삼차원 물체의 처리에도 적절하지 않는다.
중공 음극 마그네트론 기술에서, 이러한 제한들의 일부가 해소되었다. 중공 음극 마그네트론 기술은 전자들의 보조 공급원이 마그네트론 음극에 접속되어 있는 삼극 방전의 사용에 기초하고 있다. 중공 음극이 정면 음극 표면에 인접한 평탄한 마그네트론의 가장자리 영역으로 삽입된다. 중공 음극이 작동되고 마그네트론의 플라즈마 전위 미만으로 충분히 바이어스되면 수 암페어의 전자 전류가 마그네트론 플라즈마 내로 발산된다. 이러한 전자들은 마그네트론 플라즈마의 부가적인 이온화를 야기시켜 마그네트론의 작동 압력을 높아야 10-5Torr 범위까지 낮춘다.
이 압력 범위에서, 마그네트론은 상당히 낮은 압력에서의 작동을 필요로 하는 카우프만(kaufman) 형태의 별도의 광범위-비임 이온 건의 사용과 양립할 수 있다. 그러나, 중공 음극 마그네트론 기술 분야에서의 이러한 변형의 제한은 이온 건의 이온 비임의 조준선 방향성으로 인하여 삼차원의 불규칙한 형상의 물체가 처리될 수 없다는 것이다. 한편, 피막의 미세 구조에 영향을 미치는데 필요한 수 mA/㎠를 초과하는 이온 전류 밀도는 공간 충전 효과로 인하여 비-중성 이온 비임들을 사용하여 제한한다. 마직막으로, 중공 음극은 마그네트론의 효율만을 증가시킴을 깨닫는 것이 중요하다. 전착 중에 피막의 이온 충격을 돕기 위하여 기판 근처의 플라즈마 밀도를 증가시키지는 않는다.
요약하면, 중공 음극 마그네트론 기술의 경우, 고에너지(수 eV) 스퍼터링된 티타늄 원자를 통하여 그리고 피막 미세 구조에 영향을 미치는 별도의 이온-비임 공급원으로부터의 동시적인 아르곤-이온 충격을 통하여 피막 성장이 발생한다. 그러나, 이 기술은 이온 비임의 조준선 제한과 넓은 면적에 걸친 수 mA/㎠의 이온 전류 밀도를 얻는데 대한 제한으로 인하여 대규모의 물체를 처리하는 데는 적절하지 않다.
1990년에 뉴저지 소재의 노이스 출판사의 에스. 엠. 로스나겔 등이 편집한 "플라즈마 처리 기술의 핸드북 : 기초, 에칭, 전착 및 표면 상호 작용"에 게재된다. 센더스의 "진공 아크-기초 처리 방법"에 기술된 아크 증발 방법에서는 음극 전위에서 작동되는 티타늄 판을 사용하고 있다. 티타늄 원자를 생성시키는데는 어떠한 외부 플라즈마도 필요하지 않다. 대신에, 진공 음극-아크가 티타늄 판과 음극상에 아크 스포트를 형성하는 양극 표면 사이에서 형성된다. 아크 스포트는 강한 티타늄 플라즈마를 형성한다. 이 아크 스포트는 티타늄 판 상을 이동한다. 티타늄 원자, 이온 및 티타늄 원자의 거대 입자로 구성된 티타늄 클러스터가 아크 스포트로부터 증발된다. 기판 표면에 전착될 때, 클러스터는 피복 표면을 거칠게 만들고 취약한 스포트를 남기게 된다. 아크 증발 방법에서, 다른 제한은 높은 전착율을 얻을 수 없다는 것이다. 그 이유는 아크-증발 전력이 증가할 때, 티타늄 클러스터 증발율이 증가하여 피막의 품질을 심하게 열화시키기 때문이다. 이는 스퍼터 전력의 증가가 티타늄의 스퍼터 비율을 연속적으로 증가시키는 티타늄의 스퍼터링과는 대조적이다.
아크 증발은 티타늄의 높은 이온화도를 갖는다. 그러나, 반응 증발 방법과 마찬가지로, 아크 증발 중에 생성된 잔류 중성 티타늄 원자들이 피막의 품질을 지배하고 마그네트론 스퍼터링에 비해 높은 기판 온도를 필요를 한다. 높은 전착율을 위하여, 낮은 기판 온도를 유지하는 것은 어려운데 이는 고에너지(50 내지 100eV ) 티타늄 이온들이 기판 상에 전착될 때 발생하는 추가적인 기판 가열 때문이다.
아크 증발에서, 전자 가열 및 Ar+이온 스퍼터 세척은 불가능한데, 이는 어떤 Ar+이온 플라즈마도 생성되지 않기 때문이다. 한편, 피막의 전착전에 기판 표면의 스퍼터 세척도 불가능한데, 이는 진공 아크의 생성이 티타늄의 생성과 연관되기 때문이다. 한번 아크가 점화되면 아크로부터 티타늄이 생성되어 기판 상으로 전착된다. 어떤 아르곤 플라즈마도 이 아크 방법과 별도로 생성되지 않는다.
요약하면, 아크 증발 기술의 경우, 피막 성장은, 아크 증발 방법으로부터의 고에너지(이온화) 티타늄 이온들의 생성에도 불구하고, 저에너지(0.2eV)의 열적 티타늄 원자들에 의해 지배된다. 피막의 미세조직에 영향을 미치는 기판에 대한 동시적인 아르곤-이온 충격은 없다.
따라서, 기판을 조작할 필요없이 대규모의 삼차원의 불규칙한 형상의 물체 상에 비교적 낮은 온도에서 높은 비율로 단단한 박막을 전착시키는 장치 및 방법의 필요성이 대두되었다.
본 발명에 따르면, 기판 상에 질화물, 탄화물, 및 탄화-질화물들을 구성된 그룹으로부터 선택된 금속 화합물들을 전착하는 신규한 장치 및 방법이 제공된다. 이러한 장치 및 방법은 그러한 금속 화합물들의 단단한 피막을 저온에서 삼차원의 불규칙한 형상의 대형 물체에 전착시키는데 특히 유리하다. 본원 명세서에서 플라즈마 증진 마그네트론 스퍼터 전착 또는 PMD라 부르는 기술은 다음 세가지 기술을 하나로 결합한 기술이다. 세가지 기술은 (1) 기판 위로 균일하게 전착된 고에너지 티타늄 원자들을 제공하기 위해 마그네트론 스퍼터 타겟 공급원을 사용하는 기술 ; (2) 피막의 미세 구조에 영향을 주는데 필요한 이온 충격을 제공하기 위해, 스퍼터 타겟 공급원이 함침되는 별도의 플라즈마를 사용하는 기술 ; (3) 3차원의 불규칙한 형상의 물체를 대규모로 균일하게 처리하기 위해 플라즈마를 사용하는 기술이다.
본 발명의 장치는, (가) 벽에 의해 한정되고, 배기를 위한 배기 수단, 내부의 가스를 인입하기 위한 인입 수단 및 벽에서 표면 자장을 발생시키는 자석이 제공된 챔버와, (나) 상기 금속 화합물이 전착될 기판을 지지하며 상기 챔버의 벽으로부터 전기적으로 절연되어 있는, 상기 챔버 내의 지지 수단과, (다) 상기 금속 화합물의 성분 금속을 포함하고 상기 기판과 작동 연결되며 상기 챔버의 벽으로부터 전기적으로 절연되어 있고 사실상 균일한 기판을 형성하기 위해 상기 기판에 대해 배향될 수 있는 하나 이상의 평탄한 마그네트론 스퍼터 타겟 공급원과, (라) 상기 스퍼터 타겟 공급원을 온·오프 절환하며 상기 챔버의 벽으로부터 전기적으로 절연되어 있는 바이어스 및 활성화 수단과, (마) 불활성 가스로 된 하나의 가스와 질화물 및 탄화물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 다른 하나 이상의 가스를 포함하는 가스들로부터 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 수단과, (바) 상기 플라즈마에 대해 기판을 양으로 또는 음으로 바이어스하며 상기 챔버의 벽으로부터 전기적으로 절연되어 있는 바이어스 수단을 구비하며, 상기 플라즈마는 상기 가스로부터의 양이온 및 전자를 함유하고, 상기 플라즈마는 확산에 의해 상기 챔버를 충전하고 무방향성이어서 3차원의 불규칙한 형상의 기판을 처리할 수 있고, 상기 플라즈마 발생 수단은 상기 하나 이상의 평탄한 마그네트론 스퍼터 타겟 공급원을 상기 플라즈마 내에 함침시키도록 상기 스퍼터 타겟 공급원에 대해 배치되고, 상기 플라즈마 발생 수단은 상기 챔버의 벽으로부터 전기적으로 절연되고, 상기 표면 자장은 상기 챔버 내에서의 상기 플라즈마의 손실을 최소화하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 방법은 (가) 기판을 소정의 온도로 가열하는 단계와, (나) 상기 소정의 온도에서 상기 기판의 온도를 유지하면서 플라즈마의 존재하에 마그네트론 스퍼터 타겟 공급원으로부터 금속을 스퍼터링하여 상기 기판의 상기 표면 상에 상기 금속 화합물의 피복을 전착하는 단계와, (다) 상기 전착과 동시에, 상기 기판의 온도를 유지하고 상기 전착된 피막의 미세 구조를 제어하기 위해 상기 플라즈마로부터의 불활성 가스 이온으로 기판에 충격을 가하는 단계를 포함한다.
PMD에서는 하나 이상의 마그네트론 스퍼터 타겟 공급원이 고에너지(수 eV)의 금속 원자를 생성하기 위해 사용된다. 금속 화합물을 소형의 기판 상에 전착시키기 위한 본 발명의 실시예에서는 단지 하나의 스퍼터 타겟 공급원이 사용되지만, 복수의 마그네트론 스퍼터 타겟 공급원을 사용하면 금속 화합물을 대규모의 기판 상에 전착시키는 것이 가능하다. 스퍼터 타겟 공급원을 기판에 대하여 배향하는 능력은 금속 화합물을 삼차원의 불규칙한 형상의 물체에 균일하게 전착시키는 것을 도와준다. 또한, 스퍼터 타겟 공급원은 강한 플라즈마에 함침되고 이는 사실상 균일한 전착과 동시에 불규칙한 물체에 사실상 균일한 이온 충격을 제공한다. 플리즈마는 질소 및/또는 탄소 이온을 발생시킬 수 있는 불활성 가스 및 반응 가스 모두를 포함한다. 플라즈마 생성 공정은 스퍼터 원자 생성 공정과는 독립적이다. 이 때문에, 플라즈마는 여러가지 기능을 동시에 수행할 수 있다. 플라즈마 전자들은 마그네트론 스퍼터 타겟 공급원의 효율을 개선시키는데 도움을 줄 수 있다. 또한, 플라즈마 전자들은 스퍼터 금속 원자들을 이온화시키는 것을 도울 수 있다. 또한, 플라즈마는 티타늄 전착 공정과 동시에, 전착된 피막의 충격을 위한 높은 선속(＞＞1mA/㎡)을 제공한다. 그렇게 할때, 박막은 기판을 조작하지 않고도 저온에서 삼차원의 불규칙한 형상의 물체 상으로 전착될 수 있다. 본 발명의 PMD 방법에서는, 마그네트론 스퍼터 타겟 공급원과 플라즈마가 서로 격리되어 있어서(독립적이고 분리되어 있어서) 박막의 성장에 있어서 독립적인 제어 또는 영향을 가능하게 한다.
본 발명의 PMD 방법에서, 플라즈마는 부분적으로(이온 대 중성 이온 비율이 10% 이상)이온화되고 무방향성이다. 일단 플라즈마가 발생하면, 확산에 의하여 공정 챔버를 충전하고 삼차원의 불규칙한 형상의 물체를 덥도록 하는 무방향성 이온 선속을 만들고, 플라즈마는 물체의 모든 표면 형상에 부합하게 된다. 플라즈마는 챔버 벽을 따라 링 형태로 배열된 영구 자석을 사용하여 공정 챔버 내에 한정된다. 높은 주기성의 자석 링의 갯수를 유지함으로써, 자장이 챔버 벽 근처로 접근하도록 한정된다. 그러므로, 챔버의 체적은 기판의 비균일 처리를 방지하도록 자장이 없게 된다.
본 발명의 방법 및 장치에 의해 다음의 이점들이 얻어진다.
1. 전착되는 금속의 높은 운동 에너지(수 eV)로 인한 낮은 기판 온도. 즉, 단단한 금속 화합물 피막이 450℃ 미만의 온도에서 전착될 수 있다.
2. 시료 조작이 없는 상태에서의 대규모 처리 능력.
3. 피막의 높은 전착율. 즉, 적어도 8㎛ /시간의 전착율이 쉽게 얻어지는데, 이는 종래의 아크-증발 방법, RE 방법 및 스퍼터-CVD 방법에서의 2 내지 3㎛ /시간의 전착율과 비교된다. 본 발명의 방법에 의하면 30㎛ /시간의 전착율도 얻을 수 있지만, 이 때의 유일한 제한 양태는 금속 목표 공급원과 플라즈마로의 전력인 것으로 생각된다.
스퍼터 타겟 공급원과 동시에 사용되고 스퍼터 타겟 공급원과 별도로 발생되는 강한 플라즈마를 사용함으로써 다음의 부가적인 이점들이 얻어진다.
4. 기판 표면의 스퍼터 세척으로 인한 향상된 부착력 및 초기 전착 중의 높은 선속의 이온 충격.
5. 전착 중의 높은 선속의 이온 충격으로 인한 향상된 피막의 품질.
6. 강하고 균일한 플라즈마로 인한 넓은 영역에 걸쳐 균일한 높은 이온 선속률.
7. 기판 표면의 전자 가열.
전술한 본 발명의 PMD 방법은 단단한 내마모성 피복의 전착에 관한 것이다. 그러나, 피막의 미세 구조에 영향을 주기 위한 피막의 동시적인 높은 자속 이온 충격에 의한 박막의 전착을 포함하는 어떤 박막 방법에도 사용될 수 있다. 그러한 예로서는 광학 피복과, 전기 및 열 전도 피복이 있다.
본 발명의 플리즈마-증진 마그네트론-스퍼터 전착(PMD) 방법은 반응 증발 방법, 아크 증발 방법, 비균형 마그네트론 방법 및 중공 음극 마그네트론 전착 방법의 제한을 해소한 박막의 전착 방법이다. PMD는 저온에서 삼차원의 불규칙한 형상의 물체 상으로 박막을 대규모로 전착시키는 것을 가능하게 한다. 그것은 또한 시료 조작을 필요로 하지 않는다.
제1도는, 금속 스퍼터 타겟 공급원(18)의 스퍼터링으로부터 초래되는 플라즈마(16)에서 발생되는 다양한 종류를 도시하는, 벽(14)에 의하여 형성된 챔버(12)를 구비하는, 본 발명의 PMD 장치의 개략도이다. 제1도에 도시된 바와 같이, 고에너지(수 eV)의 금속, 여기서는 티타늄 원자를 발생시키기 위하여 복수의 평면 마그네트론 스퍼터 타겟 공급원(18)이 사용되었다. 스퍼터 타겟 공급원(18)은 피복되는 기판의 크기와 형상에 따라 독립적으로 배향될 수 있다. 작은 기판 상으로의 전착을 위해서는 하나의 스터퍼 타겟 공급원(18)이 사용될 수 있으나, 큰 기판 상으로의 균일한 피복을 위해서는 복수의 스퍼터 타겟 공급원이 사용된다. 또한, 삼차원의 불규칙한 형상의 물체 또는 기판(20)의 적절한 대규모의 처리를 가능하게 하기 위해, 이온-비임 공급원보다는, 플라즈마(16)가 사용된다.
다음의 설명은 질화 티타늄의 박막을 기판(20)의 표면(20a) 상에 전착하는 관점에서 이루어진다. 그러나, 본 발명은 그것에 제한되지 않으며, 다른 질화물, 탄화물 및 탄화-질화물의 전착에도 사용될 수 있는데, 본 발명의 기술에 따라 전착되는 다른 피막의 예는 탄화-질화 티타늄, 질화 티타늄-알루미늄, 질화 실리콘, 질화 크롬, 질화 하프늄, 탄화 실리콘, 탄화 티타늄 및 탄화 텅스텐을 포함한다.
질화 티타늄의 피막의 전착을 수행하기 위해, 마그네트론 스퍼터 타겟 공급원(18)이 Ar+및 N2 +이온 및 전자로 구성된 플라즈마에 함침된다. 스퍼터 타겟 공급원(18)의 작동은 이러한 플라즈마(16)와 독립적이고, 따라서 티타늄 원자의 생성과 기판(20)상으로의 전착, 아르곤 이온의 생성과 기판의 충격 및 기판의 전자 충격에 대한 제어가 독립적으로 이루어진다. 스퍼터 타겟 공급원(18)은 (도시되지 않은)수단에 의하여 제어되는 바이어스 및 활성화 수단(22)에 의하여 활성화된다. 또한, 스퍼터 타겟 공급원(18)은, 이하에 상술되는 바와 같이, 기판(20)에 대한 스퍼터 타겟 공급원의 배향을 가능하게 하도록 도시되지 않는 수단에 의하여 이동가능하다.
스퍼터링 중에, 티타늄 스퍼터 타겟 공급원(18)들은 약 400V 및 2.5A 내지 1.5KV 및 0.5A, 통상, 5.08㎝(2인치) 직경의 티타늄 스퍼터 타겟 공급원에 대해 약 600V 및 1.5A의 수준으로 바이어스된다. 다른 금속은 더 큰 동력을 필요로 하지만, 적절한 동력 수준은 기술적인 관점에서 결정된다.
기판(20)은 벽으로부터 기판에 전기 절연을 제공하는 절연 공급 통로(26)에 의해 벽(14)으로부터 격리된 기판 지지부(24)상에 장착된다. 기판(20)은, 이들 세 방법과는 달리, 어떤 극성 및 어떤 전압에서도 플라즈마에 대하여 바이어스 수단(28)에 의해 바이어스될 수 있다. 본 발명의 PMD 방법에서, 스퍼터 원자 생성 공정은 피막 미세 구조에 영향을 미치도록 사용되는 기판(20)의 플라즈마-이온 충격에 독립적인 높은 티타늄 선속률을 제공하도록 제어되고 적정화될 수 있다.
상술한 것처럼, 스퍼터 타겟 공급원(18)의 위치가 조정될 수 있고 ; 이는 기판 표면(20a) 상으로의 티타늄의 균일한 전착을 제공하게 된다. 이는 스퍼터 타겟 공급원이 제자리에 고정되고 기판이 조정되는 종래 기술의 스퍼터-CVD 방법과 반대이다. 주조 공구 및 주형과 같이 대형(91.44㎝ ×91.44㎝ ×15.24㎝(3피트×3피트×0.5피트))이고 무거운(3,000파운드) 기판을 전착하기 위해서는, 기판(20)을 조정하는 것보다 스퍼터 타겟 공급원(18)들을 조정하는 것이 훨씬 쉽다.
스퍼터 타겟 공급원(18)들을 플라즈마(16)내에 함침시킴으로써, 스퍼터링된 티타늄은 기판 표면(20a)에 도달하기 전에 플라즈마에 의해 이온화될 수 있다. 이는 기판 표면(20a) 상에 전착되는 스퍼터링된 티타늄 원자들과 이온화된 티타늄 이온들의 상대적인 비율에 영향을 미치는데 도움을 주기 위해 사용될 수 있다. 또한, 이는 기판(20) 상으로 티타늄을 전착시키는 에너지에 영향을 미칠 뿐만 아니라 전착된 티타늄의 균일성에도 기여한다. 플라즈마(16)에의 스퍼터 타겟 공급원(18)들의 함침은 종래 기술의 중공-음극 마그네트론 기술에서의 제한을 없앤다. 즉, 중공-음극 마그네트론과 관련하여 사용되는 중화되지 않은(unneutralized) 순수한 이온 비임에 비해, 기판에 충격을 가하기 위한 높은 이온 선속(flux)(＞＞1mA/㎠)이 공간 전화 중화된(charge-neutralized) 플라즈마로부터 가능하다. 또한, 플라즈마(16)가 3차원 불규칙 형상 기판(20)을 균일하게 감쌀 수 있기 때문에, 이온 비임의 조준선 제한이 없어진다. 이러한 이점들과 함께, 플라즈마(16)의 존재는 중공 음극 마그네트론 기술의 기능도 완성시킨다. 즉, 마그네트론 스퍼터 타겟 공급원(18)들이 작동하는 압력을 낮추게 된다. 마지막으로, 플라즈마(16)는 스퍼터링을 위해 아르곤을 이온화하기 위한 부가적인 전극들을 제공함으로써 스퍼터 타겟 공급원(18)들의 효율을 개선시키는데 기여하고, 또한 플라즈마는 스퍼터 타겟 공급원들을 스퍼터링하기 위한 부가적인 아르곤 이온들도 제공한다. 또한, 중공 음극 마그네트론의 경우, 전자들이 마그네트론 플라즈마 속으로 적절히 주입되도록 하기 위해 마그네트론으로부터 방출되는 자장선에 대한 중공 음극의 위치의 제한들이 존재한다. 본 발명의 PMD 기술에서는, 전자들이 아니라 중성 플라즈마가 마그네트론의 자장선들을 가로질러 확산하여 더 큰 효율 개선을 가능하게 하기 때문에, 상술한 제한들이 필요없게 된다.
PMD 방법은 다른 모든 기술에 비해 박막이 전착될 수 있는 방식에서 융통성이 있고 유리하다. PMD 방법의 경우, 스퍼터 타겟 공급원(18)들이 함침되는 플라즈마(16)가 항상 즉, 기판 가열 및 박막 전착 중에 그리고 기판 냉각 단계 중에도 작동(ON)상태에 있다. 기판(20)의 바이어스는 연속적이고 균일한 전착을 위해 DC를 연속적으로 사용하거나, 테일러식 박막 전착을 위해 DC를 펄스식으로 사용하여 수행할 수 있다. 또한, 펄스식으로의 사용은 비전도 기판 상에 박막 전착을 하는 경우에도 유리하다.
본 발명의 플라즈마 증진 마그네트론 스퍼터링 전착 장치(10)는 플라즈마(16), 스퍼터 타겟(18)들 및 기판(20)을 에워싸는 벽(14)들에 의해 한정된 챔버(12)를 구하는 폐쇄식 시스템이다. 플라즈마(16)의 성분을 구성하는 불활성 가스를 도입하기 위해 인입 수단(30)이 제공된다. 또한, 전착 피막의 제조에 사용되는 가스를 도입하기 위해 인입 수단(32)도 제공된다. 배기 수단(34)이 챔버(12)를 배기하기 위해 사용된다.
플라즈마(16)에서 사용되는 불활성 가스는 아르곤, 네온 및 크세논과 같은 불활성 가스들 중의 어느 것을 포함할 수 있다. 금속 질화물을 위해서는, 질소가 반응 가스로서 사용되는 것이 유리하다. 그러나, N2O 및 암모니아와 같은 다른 질소 함유 가스들도 사용될 수 있다. 금속 탄화물을 위해서는, 메탄, 에탄, 벤젠 또는 이산화탄소와 같은 탄소 함유 가스나 사용된다. 금속 탄화-질화물을 위해서는, 질소 함유 가스와 탄소 함유 가스의 혼합물이 사용된다.
불활성 가스, 예컨대, 아르곤의 증기압은 약 5×10-4내지 5×10-3Torr의 범위에 있고, 통상적으로 약 2×10-3Torr이다. 반응 가스, 예컨대 질소의 증기압은 약 2×10-4내지 2×10-3Torr의 범위에 있고, 통상적으로 약 8×10-4Torr이다.
발생되는 프라즈마(16)의 이온 운동이 방향성이 아니라 불규칙하므로, 3차원 기판(20)이 균일하게 처리 및 피복될 수 있다는 점은 중요하다. 이는 공정 챔버(12)내에 플라즈마(16)를 한정하기 위해 사용되는 자장을 제한하기 위해 자석(36)들에 의해 제공되는 표면 자장 형상을 사용하여 수행된다. 그렇게 함으로써, 플라즈마의 체적이 자장으로부터 자유롭게 되어, 불규칙한 이온 운동을 가능하게 하고, 플라즈마(16)가 방향성 이동 대신에 확산에 의해 챔버(12)를 채우게 된다. 자장 형상은 챔버(12)의 벽(14)들을 따라 배치된 영구자석(36)들을 사용하여 수행된다. 결과적으로, 종래 기술의 비평형 마그네트론 방법에서와 같이 기판(20)으로 연장하는 것과 같은 체적 자장이 존재하지 않는다. 그러므로, 비균형 마그네트론 기술과는 달리, 본 발명의 PMD 방법은 주철과 같은 자성 재료들을 처리할 수 있다. 체적 자장이 없으므로, PMD 방법은 자성 재료들을 처리할 때 플라즈마 비균일성 문제점들을 갖지 않는다.
자석(36)들은 플라즈마(16)를 한정하고 저온에서 플라스마의 작동 효율을 개선하는데 기여하도록 진공 챔버(12)의 벽(14)들의 외주 주위에 위치한 자석 링들의 형태로 되어 있다.
필라멘트(40)는 플라즈마(16)를 발생시키기 위한 전자들을 공급한다. 플라즈마(16)를 개시 및 유지하기 위해서는 방전 동력 공급원(42)이 사용되고, 필라멘트(40)를 가열하거나 에너지화하기 위해서는 필라멘트 동력 공급원(43)이 사용된다. 플라즈마(16)는 전착 챔버(12) 내측의 필라멘트(40)에 의해 발생되거나, 제2도에 도시한 플라즈마와는 다른 이온화 수단을 갖는 원격 플라즈마 공급원 또는 공급원들을 작동시킴으로써 발생될 수 있다. 원격 플라즈마 공급원의 사용은 본 출원의 출원인에게 양도된 1991년 8월 30일자 미합중국 특허 출원 제07/758,450호 및 1991년 8월 23일자 미합중국 특허 출원 제07/749,013호에 기술되어 있다.
필라멘트(40)는 약 10 내지 40V 범위의 전압 및 약 15 내지 50A의 전류에서, 통상, 약 20V의 전압 및 30A의 전류에서 작동된다. 이는 약 50 내지 200V의 전압 및 약 5 내지 40A의 전류, 통상, 약 100V의 전압 및 약 30A의 전류의 플라즈마(16)의 방전 상태를 야기시킨다.
스퍼터 타겟 공급원(18)들의 방위 및 위치가 전착 장치(10)내에서 제어되게 할 수 있다. 예컨데, 스퍼터 타겟 공급원(18)들은, 제1도에 도시된 것처럼, 기판(20)을 향하도록 배향되어 기판 상으로 직접 전착할 수 있다. 이러한 방위에서는, 주 플라즈마(16)에서 발생된 스퍼터링된 티타늄 원자들 및 이온화된 티타늄 원자들이 기판(20) 상으로 입사된다. 이러한 구성에서, 기판(20)은 그 위로 전착된 티타늄(또는 금속) 원자들과 이온들의 혼합물을 갖는다. 이러한 형태의 혼합물을 제어하는 것이 중요하다. 플라즈마(16)의 밀도를 독립적으로 변화시킴으로써, 더 많은 이온들이 발생될 수 있어서, 기판(20) 상으로 전착되는 티타늄 이온들과 원자들의 상대적인 비율이 제어될 수 있다. 이는 뾰족한 모서리, 코너 및 평탄면 상으로 전착할 때 피막 두께 및 미세 구조를 제어하는데 중요하다.
제3도에서는, 스퍼터 타겟 공급원(18)들이 기판(20)을 향하지 않도록 배항되어 있다. 스퍼터 타겟 공급원(18)들은 모든 티타늄 원자들이 기판(20) 상으로 직접 전착되지 않도록 상방으로 향해 있다. 이러한 작동방식의 경우, 스퍼터링된 티타늄 원자들은 진공 챔버 벽(14)들에 도달하기 전에 플라즈마(16)에서 이온화된다. 일단 티타늄이 이온화되면, 티타늄은 그 다음에 플라즈마(16)의 전기장에 의해 영향받아 기판(20)을 향해 불규칙하게 표류할 수 있다. 이러한 방식으로, 기판(20)에는 사실상 중성 원자가 없는 순수한 티타늄 이온 선속이 제공되고, 그에 따라, 스퍼터 타겟 공급원(18)들은 이온화만을 위해 티타늄 원자들을 제공하게 된다. 순수한 티타늄 이온들을 제공하는 이러한 능력은, 플라즈마(16)에 관해 기판(20) 상으로 위치한 바이어스가 티타늄 이온들의 전착 에너지에 영향을 주기 때문에, 더 많은 티타늄 에너지의 제어가 필요한 경우에 중요하다.
기판(20), 금속 스퍼터 타겟 공급원(18)들, 및 플라즈마(16)는 모두 각 부품의 독립적인 전기 제어를 제공할 수 있도록, 서로로부터 그리고 진공 챔버의 벽(14)들로부터 전기적으로 분리되어 있다. 기판(20)은 기판을 지지하기 위해 절연공급 통로(26)를 사용함으로써 플라즈마(16)로부터 그리고 챔버 벽(14)들로부터 절연된다. 플라즈마(16)는 제1도에서 도시한 것과 같은 양극 라이너(44)를 사용함으로써 진공 챔버 벽(14)으로부터 격리된다. 이는 플라즈마(16)가 전체적으로 시스템의 다른 구성 요소들에 대해 양으로 또는 음으로 바이어스되게 한다.
PMD 전착 방법은 통상적으로 다음 단계들을 포함한다. 우선, 전착하기 전에 기판을 가열 및 세척한다. PMD 방법에서, 가열은 플라즈마로부터의 양이온들 또는 전자들에 의해 기판 표면(20a)에 충격을 가하기위해 바이어스 수단(28)에 의해 기판(20)을 양으로 또는 음으로 바이어스함으로써 수행될수 있다. 이 기간중에, 스퍼터 타겟 공급원(18)들은 작동 중지(OFF)된다. 이온 또는 전자 충격 중에서 선택하는 능력은 주철과 같은 스퍼터에 민감한 재료들을 가열하는데 유리하다. 이온들은 스퍼터에 민감한 재료들을 가열하는데 사용될 수 없지만, 전자들은 사용될 수 있다. 기판(20)이 스퍼터에 민감하지 않으면, 고에너지 이온 충격은 기판 표면(20a)을 가열하기 위해서 뿐만 아니라 기판 표면을 스퍼터 세척하기 위해서도 사용가능하다.
전자 충격 중에, 기판(20)은 약 20 내지 100V 범위의 전압 및 약 5 내지 60A 범위의 전류, 특히, 약 40V의 전압 및 약 20A의 전류로 바이어스될 수 있다. 이온 충격의 경우, 기판(20)은 약 40 내지 1000V 범위의 전압 및 약 1A 내지 10mA 범위의 전류 특히, 약 100V의 전압 및 약 1A의 전류로 바이어스될 수 있다.
기판(20)은 약 300℃ 내지 500℃ 범위, 통상 약 430℃로 가열된다.
가열 시간은, 전자 충격을 이용하는 경우, 약 10 내지 30분 범위이고, 통상 약 20분이다. 이온 충격의 경우, 가열 시간은 약 30분 내지 60분 범위이고, 통상 약 40분이다. 이들은 1 내지 4W/㎠의 충격 동력 밀도를 사용하여 기판 크기에 따라 변하게 된다.
기판(20)의 세척은 상술한 것과 같은 물리적 스퍼터링에 의해 수행되거나, 최소한의 스퍼터링과 함께 별도의 수소 이온 충격을 사용하는 등의 화학 반응에 의해 수행될 수 있다. 예컨대, 이는 고탄소 함유 철로부터 탄소질 재료 예컨대, 흑연을 제거하기 위해, 그리고 표면 산화물을 제거하기 위해 사용될수 있다. 수소 이온 충격 공정은 미합중국에서 본 출원의 대응 미합중국 출원과 동일자로 출원된 미합중국 출원에 기재되어 있다.
일단 가열 및/또는 세척이 완료되면, 티타늄 전착이 시작된다. 마그네트론 스퍼터 타겟 공급원(18)이 바이어스 및 활성화 수단(22)을 사용하여 작동 상태(ON)로 전환하고, 기판(20)은 Ar+이온 충격 에너지를 제어하기 위해 음으로 바이어스된다. 이는 마그네트론 스퍼터 타겟 공급원(18)들의 작동과 독립적으로 그러나 스퍼터 타겟 공급원들의 작동과 동시에 행해진다. 이러한 방식으로, PMD 방법은 종래 기술의 비균형 마그네트론 기술의 제한인 기판 이온 충격으로부터의 마그네트론 플라즈마 생성을 완화시킨다.
본 발명의 PMD 시스템의 경우, 티타늄 선속의 대부분(약 90%)은 스퍼터링된 티타늄 원자 형태이고, 이온화된 티타늄 원자 선속은 약 10%이다. 그러나, 이러한 비율은 플라즈마 밀도(플라즈마 내의 전자 및 이온의 갯수 밀도) 및 스퍼터 타겟(18)들의 작동 동력을 조정함으로써 조절 가능하다. 종래 기술의 RE 방법 역시 원자 대 이온의 비율은 조정할 수 있지만, RE 방법은 저에너지(0.1 내지 0.2eV)의 열적 티타늄 원자들을 발생시키는 것에 제한되고, 고에너지(수 eV) 스퍼터링된 원자들은 발생시킬 수 없음을 주목해야 한다.
PMD 전착율은 적어도 약 1㎛/시간이고, 약 8㎛/시간의 속도가 일상적으로 가능하다. 스퍼터 타겟 공급원(18)의 크기를 증가시킴으로써 약 30㎛/시간 정도의 정착율이 달성될 수 있다. 이러한 전착율에서, 전착 시간은 원하는 피막 두께에 따라 달라진다. 일반적으로, 전착 시간은 약 0.5 내지 5시간이고, 통상적으로 약 1시간이다.
본 발명의 PMD 방법을 주조 분야에서 사용되는 블럭이라 부르는 3차원의 불규칙 성형 기관 상에 TiN의 단단한 내마모성 피복을 전착하는데 사용하였다. 블럭들은 주철, 스테인레스강 304, 및 D-2강으로 다양하였다. 지금까지의 주조 마모실험 결과, PMD 전착된 TiN이 종래 기술의 반응 증발 방법 및 아크 증발 방법에 비해 모래 마찰 마모에 견디는 성질이 우수한 것으로 판명되었다.
[실시예]
[실시예 1]
본 발명의 방법은 주조 설비의 제작 환경에서 모래 마찰 마모를 겪게 되는 비처리 주철 블럭의 마모를 감소시키는데 성공적이였다. 다섯개의 비처리 주철 블럭과 비교하기 위해, 총 다섯개의 주철 블럭들을 다양한 방법으로 처리하였다. 블럭들 중의 하나를 본 발명의 방법에 따라 처리하여 네 개의 비처리 블럭들과 비교 사용하였다. 본 발명에 따른 처리는 다음과 같은 단계로 행하였다.
(a) 주철 기판의 표면을 1010수소 이온/cm³정도의 밀도로 수소 플라즈마에서 수소 이온들로 1시간 동안 세척하였다. 이때, 수소 이온들의 에너지는 100V였다.(수소는 미합중국에서 본 출원의 대응 출원과 함께 출원된 미합중국 특허출원에 개시된 방법에 따라 표면 흑연을 제거하였다.)
(b) 다음에, 플라즈마에 대해 양으로 기판을 바이어스함으로써 아르곤 이온 플라즈마로부터 발생된 전자들로 약 400℃의 온도로 기판을 가열하였다. 아르곤 플라즈마의 에너지는 40V였다.
(c) 다음에, 아르곤 이온 플라즈마의 존재하에 1시간에 걸쳐서 질화 티타늄 피막을 전착시켰다. 아르곤 이온들의 에너지는 100V였다.
모래 마찰 마모 시험을 행하기 위해, 블록들을 크랭크축 패턴 상에 장착하였다. 마모 비교를 위해 4개의 비처리 주철 블럭을 장착하는 데에도 동일한 크랭크축 패턴을 사용하였다.
주조 설비에 의해 총 4,000사이클의 모래 압분(compaction)을 누적시켜, 질화 티타늄 처리 주철 블록의 내마모성을 1차 산출하였다. 4,000사이클을 완료했을 때, 각 블럭의 표면의 여러 지점에서의 치수 측정에 기초하여(처리 및 비처린 된) 각 블럭의 마모량을 결정하였다. 각 지점에서의 마모량을 측정하기 위해 사용된 좌표 측정기(coordinate measuring machine, CMM)는 ±0.0025cm(±1mil)의 정확도를 갖고 있다. 그러므로, 각 블록의 마모 측정은 1mil 이상의 마모가 발생한 경우에만 이루어질 수 있다.
제4도는 측정가능한 마모 즉, 1mil 이상의 마모를 갖는 위치들의 총 수를 비교한 것이다. 각각의 비처리 블럭의 경우, 10 내지 30개의 위치에서 측정가능한 마모가 있었다. 본 발명에 따라 처리된 주철 블럭은 측정가능한 마모가 전혀 없었다.
[실시예 2]
다음에, 본 발명에 따른 질화 티타늄으로 피복된 주철 블록과 RE 방법이라 불리우는 상술한 미합중국 특허 제4,197,175호에 개시된 방법에 의해 질화 티타늄으로 피복된 주철 블록을 비교하였다. RE 방법에 의해 피복된 블록의 경우, 마모 시험을 완료했을 때, 두 위치에서 측정가능한 마모가 기록되었다. 이는 어떤 위치에서도 측정가능한 마모가 전혀 발견되지 않은 본 발명의 방법과는 대조적이다.
치수 변화에 의해 결정된 마모외에, 색상 변화도 부가적인 지표가 된다. 회색 기재 금속이 들여다보이면, 이는 황금색 질화 티타늄 피복이 마모되었음을 나타내는 것이다. 마모 방법에 대한 이러한 형태의 시각적 관찰은 마모 시험 중에 입증되었다.
제5도는 마모 시험 중에 피복 색상의 시각적 관찰에 기초한, 본 발명(곡선 46) 및 RE 방법(곡선 48)에 의해 처리된 주철 블럭들의 마모를 비교 도시한 것이다. 그래프의 상부는 마모 시험을 시작하기 전의 순수한 피복을 나타낸다. 그래프의 하부는 피복이 완전히 제거된 것을 나타낸다.
제5도는 도시한 데이타는 본 발명에 따라 처리된 블록이 RE 방법보다 내마모성이 약 2배로 좋음을 보여준다.
[실시예 3]
6㎛ TiN 피복을 본 발명 방법 및 아크 증발 방법에 의해 304 스테인레스강 블록들에 전착시켰다. 아크 증발 방법에 의한 경우, 6,490사이클 후에 100% 마모가 피복에서 관찰되었다. 본 발명 방법의 경우, 11,229사이클 후에 100% 마모가 피복에서 관찰되었다. 이는 본 발명의 방법에 의해 전착된 피복이 거의 2배만큼 오래 지속됨을 보여준다.
[실시예 4]
6㎛ TiN 피복을 D2강 블록들 상에 전착시켰다. 1,5000 사이클의 마모 산출후에, 주목할만한 마모가 전혀 관찰되지 않았다.
지금까지, 기판 표면 특히, 3차원 불규칙 형상 기판들의 표면 상으로 금속 합금을 전착하기 위한 방법 및 장치를 개시하였다. 자명한 성질의 여러 수정 및 변경이 이루어질 수 있음이 본원 기술 분야에서 숙련된 사람에게는 명백하다. 그러한 모든 수정 및 변경은 첨부된 청구 범위에 한정된 본 발명의 범주내에 드는 것임을 이해해야 한다.

Claims (10)

  1. 기판(20) 상에 질화물 및 탄화물로 구성되는 그룹에서 선택된 금속화합물을 전착하는 장치(10)에 있어서, (가) 벽(14)에 의해 한정되고, 배기를 위한 배기 수단(34), 내부에 가스를 인입하기 위한 인입 수단(30,32) 및 벽(14)에서 표면 자장을 발생시키는 자석(36)이 제공된 챔버(12)와, (나) 상기 금속 화합물이 전착될 기판(20)을 지지하며 상기 챔버(12)의 벽(14)으로부터 전기적으로 절연되어 있는, 상기 챔버 내의 지지 수단(24,26)과, (다) 상기 금속 화합물의 성분 금속을 포함하고 상기 기판과 작동 연결되며 상기 챔버(12)의 벽(14)으로부터 전기적으로 절연되어 있고 상기 기판(20)에 대해 배향될 수 있는 하나 이상의 평탄한 마그네트론 스퍼터 타겟 공급원(18)과, (라) 상기 스퍼터 타겟 공급원(18)을 온ㆍ오프 절환하며 상기 챔버(12)의 벽(14)으로부터 전기적으로 절연되어 있는 바이어스 및 활성화수단(22)과, (마) 불활성 가스로 된 하나의 가스와 질화물 및 탄화물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 다른 하나 이상의 가스를 포함하는 둘 이상의 가스들로부터 플라즈마(16)를 발생시키는 플라즈마 발생 수단(40,42,43)과, (바) 상기 플라즈마(16)에 대해 기판을 양으로 또는 음으로 바이어스하여 상기 챔버(12)의 벽(14)으로부터 전기적으로 절연되어 있는 바이어스 수단(28)을 구비하며, 상기 플라즈마(16)는 상기 가스로부터의 양이온 및 전자를 함유하고, 상기 플라즈마(16)는 확산에 의해 상기 챔버(12)를 충전하고 무방향성이어서 3차원의 불규칙한 형상의 기판(20)을 처리할 수 있고, 상기 플라즈마 발생 수단은 상기 하나 이상의 평탄한 마그네트론 스퍼터 타겟 공급원(18)을 상기 플라즈마(16) 내에 함침시키도록 상기 스퍼터 타겟 공급원(18)에 대해 배치되고, 상기 플라즈마 발생 수단(40,42,43)은 상기 챔버(12)의 벽(14)으로부터 전기적으로 절연되고, 상기 표면자장은 상기 챔버(12)내에서의 상기 플라즈마(16)의 손실을 최소화하는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 전착 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판(20)을 바이어스시키는 바이어스 수단(28)은 독립적으로 DC를 연속적으로 또는 펄스식으로 공급하는 것을 특징으로 하는 금속화합물 전착 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기판(20)에 대해 양으로 또는 음으로 상기 스퍼터 타겟 공급원(18)을 바이어스하는 바이어스 및 활성화 수단(22)도 포함하며, 상기 스퍼터 타겟 공급원(18)을 바이어스하는 바이어스 및 활성화 수단(22)은 독립적으로 DC를 연속적으로 또는 펄스식으로 공급하는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 전착 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기판(20)에 대해 양으로 또는 음으로 상기 플라즈마(16)를 바이어스하는 수단(43)도 포함하며, 상기 플라즈마(16)를 바이어스하는 수단(43)은 독립적으로 DC를 연속적으로 또는 펄스식으로 공급하는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 전착 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마(16)를 상기 챔버(12)의 벽(14)으로부터 전기적으로 절연하기 위한 양극 라이너(44)도 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 전착 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 불활성 가스는 아르곤, 네온, 크세논으로 구성되는 그룹에서 선택된 가스로 주로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 전착 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마(16)는 상기 챔버(12)의 상기 벽(14)을 따라 주기적으로 배치된 영구 자석 링에 의해 상기 챔버(12)내에 한정되는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 전착 장치.
  8. 기판(20)의 표면(20a) 상에 금속 화합물의 단단한 피복을 전착하는 방법에 있어서, (가) 상기 기판(20)을 소정의 온도로 가열하는 단계와, (나) 플라즈마(16)의 존재하에 마그네트론 스퍼터 타겟 공급원(18)으로부터 금속을 스퍼터링하여 상기 기판(20)의 표면(20a) 상에 상기 금속 화합물의 상기 피복을 전착하는 단계와, (다) 상기 전착과 동시에, 상기 기판(20)의 온도를 유지하고 상기 피복의 미세 구조를 제어하기 위해 상기 플라즈마(16)로부터의 불활성 가스 이온으로 충격을 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 전착 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 금속 화합물은 금속 질화물, 금속 탄화물 및 금속 탄화 질화물로 구성되는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 전착 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 금속 질화물은 질화 티타늄, 질화 티타늄-알루미늄, 질화 크롬 및 질화 하프늄으로 구성되는 그룹에서 선택되며, 하나 이상의 반응 가스가 질소, N2O, 및 암모니아로 구성되는 그룹에서 선택되고 ; 상기 금속 탄화물은 탄화 티타늄, 탄화 실리콘 및 탄화 텅스텐으로 구성되는 그룹에서 선택되고, 하나 이상의 반응 가스가 메탄, 에탄, 벤젠 및 이산화 탄소로 구성되는 그룹에서 선택되고 ; 상기 금속 탄화-질화물은 탄화-질화 티타늄으로 주로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 화합물 전착 방법.
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