KR101192321B1 - Ｄｌｃ 코팅 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속이나 비금속 소재로 만든 각종 공구, 부품 및 금형 등의 모재 표면에 DLC층을 형성하기 위하여 상대적으로 낮은 주파수 영역(5 ~ 40 khz)에서 양방향의 바이어스를 공급함으로써, 코팅재의 날카로운 형상 부위에서 발생하는 전하과잉축척현상을 극소화하여 코팅층의 접착성을 향상시키는 기술에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명의 장치는 공정이 진행되는 상기 챔버는 0V로 접지되어 있으며, 상기 공정 챔버와 절연되어 상기 챔버 내에 설치된 전극과, 상기 챔버와 절연되어 상기 전극과 대응하도록 위치된 모재(기판)용 지그와, 상기 전극과 상기 모재용 지그에 플라즈마를 발생시키기 위한 전력을 가하는 양방향 펄스 파워 서플라이를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＤＬＣ 코팅 방법 및 이를 위한 장치{DLC COATING METHOD AND DEVICE THEREOF}

본 발명은 금속이나 비금속 소재로 만든 각종 공구, 부품이나 금형 등의 모재 표면에 다이아몬드 유사카본 필름층(Diamond-Like Carbon Film: "DLC")을 형성하여, 모재의 내구성, 내마모성 및 윤활성 등을 향상시키는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.

더욱 상세하게는, 상대적으로 낮은 주파수 영역(5 ~ 40 khz)에서 펄스형태의 양방향의 바이어스를 공급함으로써, 코팅재의 날카로운 형상 부위에서 발생하는 전하과잉축척현상을 극소화하여 코팅층의 접착성을 향상시키는 기술에 관한 것이다.

일반적으로, DLC 필름층에 의해 표면이 보호된 모재는 다른 방법에 의해 표면이 보호된 경우보다 우수한 경도/윤활성/내마모성/마찰특성/내식성 등을 나타내기 때문에 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 그러나 상기 DLC 필름층은 금속소재와 같은 모재에는 잘 접착되지 않으므로 박리가 쉽게 일어나는 문제점이 있다.

특히 날카로운 부분의 형상을 포함하는 금속소재의 경우, 날카로운 부분에서 전하의 과잉축적현상이 발생한다. 이러한 전하가 과잉축적된 부위에서는 아크가 발생하기 쉽고 코팅층(막)이 잘 형성되지 않는 현상이 일어난다. 결과적으로 과도한 에너지의 충격으로 인해 리스퍼터링(resputtering) 현상이 발생하여 불량 코팅막이 형성될 뿐만 아니라, 공정 과정이 불안정하게 된다.

지금까지 DLC 필름층의 박리를 억제하거나 완화하는 방법으로는 (1)공정온도를 높여 DLC 필름층의 잔류응력을 감소시키는 방법과, (2)DLC 필름층의 계면접착력을 증진시키는 방법 중 하나가 이용되었다.

그러나 이러한 방법만으로는 상기와 같은 전하가 과잉축적된 부위의 불량 코팅층의 문제점을 완전히 해결할 수 없었다.

일반적으로 기판바이어스로는 직류(direct current), 고전력직류펄스(high power direct current pulse) 또는 RF 바이어스를 전원으로 사용한다.

직류를 이용한 바이어스를 기판에 인가할 시, 기판의 날카로운 부분에서 전하과잉축척현상이 발생하여 아킹(arcing) 현상 또는 과도한 에너지 충격에 의한 리스퍼터링(resputtering) 현상이 발생하여 불량 코팅막이 형성될 뿐만 아니라, 공정 또한 불안정하다.

최근 향상된 바이어스 용 전원인 직류펄스를 이용하여 고주파영역(~Mhz)에서 전하과다축척현상을 어느 정도 제어가 가능하지만, 여전히 제어 정도가 불만족스럽고, 고전력으로 이용한다는 단점이 있다.

RF 바이어스를 전원을 인가하여 고주파영역(~Mhz)에서 사용할 시, 전하축척현상을 제어할 수 있다는 보고가 있긴 하지만, 독립변수로 펄스폭을 조절하지 못하며, 여전히 고가의 비용과 고용량의 파워 서플라이어(전력 공급기)가 필요하다는 단점이 있다.

본 발명은 종래의 DLC 코팅공정의 여러 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 플라즈마 공정 중 발생하는 전하과다축적에 의한 리스퍼터링이나 아킹 등을 극소화함으로서, 특히 날카로운 에지부위 형상을 갖는 코팅 소재에 균일한 코팅층을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명인 DLC 코팅 방법은 전극과 상기 전극과 대응하는 모재 사이에 바이어스 전압은 50 ~ 500V, 전류는 100 ~ 300mA, 주파수가 5 ~ 40kHz의 조건하에서 펄스폭을 5 ~ 50㎲로 조절하여 DLC 코팅층을 형성시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 위한 DLC 코팅 방법으로는, 플라즈마 챔버의 진공을 5 X 10^-5 torr이하 배기하는 단계와 상기 모재를 플라즈마를 이용하여 세정하는 단계와 상기 모재에 기초 코팅층을 증착하는 단계와 상기 모재에 50 ~ 500V의 전압, 100 ~ 300mA의 전류, 5 ~ 40kHz의 조건을 인가하는 단계를 포함한다.

본 발명을 위한 DLC 코팅 장치로는, 챔버와, 비평형 마그네트론 스퍼터 증발원과, 상기 챔버와 절연된 상기 챔버 내에 설치된 전극과, 상기 챔버와 절연된 상기 전극과 대응하도록 위치된 모재용 지그와, 상기 전극과 상기 모재용 지그에 플라즈마를 발생시키기 위한 전력을 가하는 양방향 펄스 파워 공급기를 포함한다.

여기서, 상기 양방향 파워 공급기는 DLC 코팅층 형성시, 바이어스 전압으로 50 ~ 500V, 전류로 100 ~ 300mA, 그리고, 주파수로 5 ~ 40kHz로 운용된다.

상기 전극은 메쉬 형상이나 원통 형상 중 하나일 수 있다.

상기 타겟은 금속과 카본 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 비평형 마그네트론 스퍼터 증착방식으로 코팅을 하되 기판에 양방향 펄스를 이용한 바이어스전압을 인가함으로써, 날카로운 형상에서 발생하는 전하축척현상을 극소화 하는 기술을 제공 한다. 이는 플라즈마 공정 중 발생하는 전하과다축적에 의한 리스퍼터링과 아킹 등을 극소화함으로서, 상대적으로 높은 기판바이어스전압에서도 공정이 가능함으로서 높은 에너지 영역에서 얻어질 수 있는 물성 구현이 가능하다.

도 1은 DLC 코팅을 위하여 기판바이어스로 직류(direct current) 또는 고전력직류펄스(high power direct current pulse)를 사용한 경우의 도시이다.
도 2는 DLC 코팅을 위하여 RF 바이어스를 전원으로 사용한 일반적인 경우의 도시이다.
도 3은 본 발명에서 DLC 코팅을 위한 비평형 마그네트론 스퍼터링 장치의 구성도로, 상대적으로 낮은 주파수 영역(5 ~ 40 khz)에서 펄스폭을 5 ~ 50㎲로 조절하는 양방향 펄스를 이용한 바이어스 전압을 공급하는 구성도이다.
도 4는 본 발명에서 DLC 코팅을 위하여 사용된 기본 파형과 플라즈마 세정시 세정의 파형이고, 스퍼터링시 적용되는 파형의 형상을 나타낸 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에서 DLC 필름층을 형성하기 위하여 다양한 스퍼터링 중에서 비평형 마그네트론 스퍼터링(Unbalanced Magnetron Sputtering) 기술을 이용한다.

특히 본 발명에서 사용한 비평형 마그네트론 스퍼터링은 마그네트론 스퍼터링을 변형시켜 기판에서 이온 충돌 효과를 향상시킨다. 비평형 마그네트론 스퍼터링은 타겟 배면에 있는 자석들의 내부 자장과 외부 자장의 세기에 차이를 두어서, 플라즈마가 타겟 근방에 구속되는 것이 아니라 일부 자장을 기판방향으로 향하게 하여 이온의 흐름을 기판 방향으로 유도한다. 이때 반응가스로 메탄, 아세틸렌, 벤젠, 톨루엔 등의 탄화가스를 중 하나를 공급하는 반응성 비평형마그네트론 스퍼터링 증착공정(reactive unbalanced magnetron sputter deposition process)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 3은 본 발명에서 DLC 코팅을 위한 비평형 마그네트론 스퍼터링 장치의 구성도로, 상대적으로 낮은 주파수 영역(5 ~ 40 khz)에서 펄스폭을 5 ~ 50㎲로 조절하는 양방향 펄스를 이용한 바이어스 전압을 공급하는 구성도이다.

본 발명을 위한 장치의 구성으로는 공정이 진행되는 상기 챔버(30)는 0V로 접지되어 있으며, 상기 공정 챔버(30)와 절연되어 상기 챔버(30) 내에 설치된 전극(50)과, 상기 챔버(30)와 절연되어 상기 전극(50)과 대응하도록 위치된 모재용 지그(40)와, 상기 전극(50)과 상기 모재용 지그(40)에 플라즈마를 발생시키기 위한 전력을 가하는 양방향 펄스 파워 공급기(70, 서플라이어)를 포함한다. 상기 전극(50)은 메쉬 형상이나 원통 형상 중 하나로 형성할 수 있다.

상기 비평형 마그네트론 스퍼터용 증발원(10, 20)은 금속용(10)과 DLC용(20) 중 적어도 하나로 구성된다. 본 발명에서는 비평형 마그네트론 스퍼터용 증발원을 금속용(10)과 DLC용(20)으로 동시에 각각 두 조 이상을 설치할 수도 있다.

본 발명에서 적용한 비평형 마그네트론 스퍼터링에서는 이온의 흐름이 자기장 방향에 평행하게 진행하다가 기판 근처에서 퍼지므로 평형 마그네트론 스퍼터링 방법에서 제기된 박막의 평탄도 문제를 해결할 수 있으며, 또한 기판 부근에도 플라즈마가 형성되기 때문에 평형 마그네트론 스퍼터링과는 달리 이온 충돌 효과를 유도하여 박막의 특성 변화를 기대할 수 있다.

본 발명에서 DLC 코팅을 위하여 세정단계, 증착단계, 그리고 선택적인 이온주입단계 후 DLC 코팅을 실시한다.

세정단계에서는 아르곤(Argon) 또는 산소(Oxygen) 가스를 이용하여 발생시킨 플라즈마를 이용하여 코팅하고자 하는 모재(60)의 표면을 세정하는 단계이다. 챔버(30)의 내부로 가스를 주입한 후 플라즈마를 발생시켜 모재(60)의 표면을 세정한다.

증착단계는 상기 세정단계 이후 단계로서 비평형 마그네트론 스퍼터 증착방식으로 모재(60)의 표면에 코팅층을 형성하는 단계이다. 플라즈마에 의해 가스물질로부터 유리된 탄소나 티타늄 또는 규소 이온이 상기 세정단계에서 활성화된 모재(60) 표면에 수 나노 수준의 초박막 형태로 균일하게 코팅된다.

상기 코팅층은 DLC 코팅의 접착성을 높이기 위한 목적으로 실시된다. DLC 코팅을 모재(60)에 직접하는 경우에는 코팅의 접착성이 떨어진다. 본 발명에서는 금속 타겟(10)과 카본 타겟(20)을 동시에 챔버(30) 내벽에 설치할 수 있다. 계면 접합력을 향상시키는 금속 물질로는 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 텅스텐(W) 등의 금속재질을 사용할 수 있으며, 통상적으로 DLC기술 분야에서 층간 응력 완화와 계면 접합력을 높이기 위한 물질들과 경사층 코팅, 나노다층박막코팅 공정 등이 잘 알려져 있다.

상기 증착단계 이후에 모재(60)의 표면 하부로 상기 코팅층을 걸쳐 이온혼합층을 형성하는 이온주입단계를 필요하다면 선택적으로 거칠 수 있다.

상기 선택적인 이온주입단계 이후에 반응성 비평형 마그네트론 스퍼터링 증착법으로 DLC필름층을 형성하는 DLC코팅 단계를 실시한다.

최종 DLC코팅 단계에서는 상기 모재(60)에 DLC 코팅을 위하여 50 ~ 500V의 전압, 100 ~ 300mA의 전류, 주파수는 5 ~ 40kHz의 조건을 인가한다. 이때의 적정 DLC 막의 두께는 1 ~ 3.5㎛가 적절하다. 스퍼터링 공정을 실시할 때는 양방향 바이어스전원을 공정물질에 따라 전압을 적절하게 맞춰서 고정한다. 이때 상대전극과 기판사이의 거리를 10 ~ 40 mm의 간격을 유지하는 것이 적절하다.

여기서, 인가하는 전압이 50V 이하이면 필요 물성을 얻기 위한 에너지가 충분하지 않고, 500V 이상의 경우에는 필요이상의 에너지를 공급하는 것으로, 기판에서 과도한 이온충격에 의한 리스퍼터링 현상이 발생된다.

본 발명에서 사용된 전압과 주파수 이외의 공정변수인 전류 및 펄스폭은 여러 차례의 실험을 통해 얻어낸 최적치이다.

여기서, DLC코팅의 단계 후 코팅의 접착력을 향상시키기 위해 다시 증착단계를 거친 후, DLC 코팅을 다시 할 수 있다. 이러한 증착층/코팅층의 반복은 필요한 코팅층의 물성을 얻기 위하여 적절히 조절할 수 있다.

특히, 증착단계와 DLC코팅 단계에서 챔버(30)내에서 사용되는 가스물질은 메탄/아세틸렌/벤젠/톨루엔 중에서 필요에 의하여 선택될 수 있다. 이러한 가스물질은 DLC코팅 기술분야에서 널리 사용되고 있다.

일반적으로 금속물질을 코팅하더라도 피코팅물의 형상이 날카로울시 일정 전원 이상의 바이어스전원이 인가될 시 칼날부분의 코팅층이 형성되지 않는다. 부도체의 경우는 칼날부 뿐만아니라, 코팅막 전체가 불량이 되는 현상이 발생된다. 이 현상의 주된 원인을 전하과잉축척 현상 때문이다.

본 발명에서 DLC 필름층을 형성하기 위하여 적용되는 작업조건으로는 전극(50)과 상기 전극(50)과 대응하는 모재(60) 사이에 바이어스 전압은 50 ~ 500V, 전류는 100 ~ 300mA, 주파수가 5 ~ 40kHz의 조건하에서 펄스폭을 5 ~ 50㎲로 조절한다.

본 발명에서는 상대적으로 낮은 주파수 영역(5 ~ 40 khz)에서 양방향의 바이어스를 공급하는 이유는, 전자와 양이온의 이동속도(mobility) 차이에 의해 생기는 셀프 바이어스(self bias)를 효과적으로 이용하여, 손쉽게 전위(electric potential)의 제어를 통해 전하과잉축척현상을 해결하기 위함이다. 또한 추가적으로 펄스폭을 조절하여 상기의 전하과잉축적현상을 해소할 수 있다.

도 4는 본 발명에서 DLC 코팅을 위하여 사용된 기본 파형과 플라즈마 세정시 세정의 파형이고, 스퍼터링시 적용되는 파형의 형상을 나타낸 사진이다. 통상의 AC 파워 공급기(70)를 사용하는 경우에는 공급 파워의 사이클 이외에는 조절할 수 있는 요소가 없다. 그러나 본 발명에서 펄스 파워 공급기(70)를 사용하는 경우에는 펄스의 폭을 조절함으로 공급하는 파워를 적절하게 조절할 수 있다는 장점이 있다. 본 발명에서는 이러한 전하과잉축척현상을 적절하게 제어하기 위하여, 바이어스 전압은 50 ~ 500V, 전류는 100 ~ 300mA, 주파수가 5 ~ 40kHz의 조건하에서 펄스폭을 5 ~ 50㎲로 조절한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 비평형 마그네트론 스퍼터 증착방식으로 코팅을 하되 기판에 양방향펄스를 이용한 바이어스전압을 인가함으로써, 날카로운 형상에서 발생하는 전하축척현상을 극소화 하는 기술을 제공 한다. 이는 부도체박막의 코팅과 플라즈마 공정 중 발생하는 전하과다축적에 의한 리스퍼터링(resputtering)이나 아킹(arcing) 등을 극소화함으로서, 상대적으로 높은 기판바이어스전압에서도 공정이 가능함으로서 높은 에너지 영역에서 얻어질 수 있는 물성 구현이 가능하다.

상기의 본 발명은 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 스퍼터링 증발원(금속 타겟) 20: 스퍼터링 증발원(Carbon 타겟)
30: 챔버 40: 모재용 지그
50: 전극 60: 모재
70: 양방향 펄스 파워 공급기

Claims (6)

1. DLC 코팅층 형성시, 전극과 상기 전극과 대응하는 모재 사이에 바이어스 전압은 50 ~ 500V, 전류는 100 ~ 300mA, 주파수가 5 ~ 40kHz의 조건하에서 펄스폭을 5 ~ 50㎲로 조절하여 DLC 코팅층을 형성시키는 것을 특징으로 하는, DLC 코팅 방법.
   
2. 플라즈마를 이용하여 DLC 코팅층을 형성하는 방법에 있어서,
   플라즈마 챔버의 진공을 5 × 10^-5 torr이하 배기하는 단계;
   모재를 플라즈마를 이용하여 세정하는 단계;
   상기 모재에 기초 코팅층을 증착하는 단계;
   상기 모재에 50 ~ 500V의 바이어스 전압, 100 ~ 300mA의 전류, 5 ~ 40kHz의 조건을 인가하여 DLC코팅을 하는 단계;를 포함하는 DLC 코팅 방법.
   
3. 챔버와;
   비평형 마그네트론 스퍼터 증발원;과
   상기 챔버와 절연된 상기 챔버 내에 설치된 전극;과
   상기 챔버와 절연된 상기 전극과 대응하도록 위치된 모재용 지그;와
   상기 전극과 상기 모재용 지그에 플라즈마를 발생시키기 위하여 바이어스 전압으로 50 ~ 500V, 전류로 100 ~ 300mA, 주파수로 5 ~ 40kHz로 작동하는 양방향 펄스 파워 공급기;를 포함하는, DLC 코팅 장치.
   
4. 청구항 제3항에서,
   상기 전극은 메쉬 형상이나 원통 형상 중 하나인, 양방향 기판 바이어스 전원에 의한 DLC 코팅 장치.
   
5. 청구항 제3항에서,
   상기 증발원은 금속과 카본 중 적어도 하나로 구성된, 양방향 기판 바이어스 전원에 의한 DLC 코팅 장치.
   
   
6. 삭제

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