KR20040026733A - 표면개질된 모재와의 접착력이 향상된 후막 형성 방법 및그의 장치 - Google Patents

표면개질된 모재와의 접착력이 향상된 후막 형성 방법 및그의 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고분자 물질의 표면을 친수성으로 개질하고, 고분자 물질과 접착력이 향상된 후막을 형성하는 모재와 접착력이 향상된 후막 형성 방법 및 그의 장치에 관한 것으로, 후막 형성 방법은 고분자 물질의 기판을 준비하는 단계; 상기 기판을 표면 개질하는 단계; 상기 기판 상에 시드층을 형성하는 단계; 상기 시드층 상에 후막을 형성하는 단계를 포함하고, 후막 형성 장치는 고분자 물질로 이루어진 기판을 공급하는 언로딩 영역; 상기 기판의 표면을 개질하는 표면 처리 영역; 표면 개질된 상기 기판 상에 시드층을 형성하는 시드층 형성 영역; 상기 시드층 상에 후막을 형성하는 후막 형성 영역; 상기 기판을 로딩하는 로딩 영역을 포함한다.

Description

표면개질된 모재와의 접착력이 향상된 후막 형성 방법 및 그의 장치{Method and Apparatus for Formation of Thick Layer on the Surface Modified Substrate}
본 발명은 모재와 접착력이 향상된 후막 형성 방법 및 그의 장치에 관한 것으로 특히 고분자 물질의 표면을 친수성으로 개질하고, 고분자 물질과 접착력이 향상된 후막을 형성하는 모재와의 접착력이 향상된 후막 형성방법 및 그의 장치에 관한 것이다.
일반적으로 비전도성 고분자 물질 위에 접착력이 우수한 두꺼운 박막, 또는 후막을 형성하는 기술은 PCB (Printed Circuit Board), FPC (Flexible Printed Circuit) 기판의 생산, 전자파 차폐, 그리고 전자 소자의 개발 등 그 응용 분야가 매우 폭 넓고 다양하다. 그리고 후막 형성 방법으로는 무전해 도금, 전해 도금, 그리고 진공 증착법 등이 있으나, 이와 같은 단순한 방법으로는 고분자 표면과 박막의 접착력 향상을 기대할 수 없다.
특히 불소를 포함하는 고분자 물질은 매우 안정하므로 극도의 소수성을 나타내며, 그 위에 박막을 형성하여도 고분자 기판과의 접착력은 기대할 수 없다.
따라서 고분자 물질 위에 형성되는 후막과의 접착력 향상을 위해 플라즈마(Plasma)나 UV(Ultra Violet), 그리고 고에너지 이온빔(Ion Beam) 등으로 고분자 물질의 표면을 처리하는 방법들이 시도되고 있으나 표면 처리효과가 충분하지 못하여 기판 재료로 사용하는 고분자 물질의 선택종류에 많은 제약이 있었고,일정 수준의 접착력을 얻을 수 있는 고분자 물질으로만 한정적으로 이용하는 문제점이 있었다.
상기에서 언급된 이러한 고분자 물질의 선택 제약을 해소하고 표면 처리의 충분한 효과를 얻기 위해 이온 보조 반응에 의한 고분자 물질의 표면 개질법(미국 특허 5,783,641호)이 개발되었고, 그 내용을 간단히 설명하면 다음과 같다.
이온 보조 반응법 (Ion Assisted Reaction : IAR)은 1 ×10 -6 Torr 까지 진공조를 배기한 후, 반응성 가스의 유입량을 조정하여 1 ×10 -5 ~ 1 ×10 -2 Torr 의 반응성 가스 분위기 중에서 고분자 물질의 표면에 5.0 keV 이하의 저에너지 이온빔을 조사하여 고분자 물질의 표면만을 개질하는 방법이다.
따라서 이온 보조 반응법은 고분자 물질의 표면에 이온빔 조사에 의한 손상을 거의 주지 않으며, 고분자 물질이 가지는 고유의 성질은 그대로 유지하면서 표면에 새로운 기능을 부여할 수 있다. 저 에너지 이온빔 조사는 고분자 물질의 표면에 래디컬(radical)들을 형성시키고 그로 인해 활성화된 표면은 주위의 반응성 가스와 화학 반응을 일으켜 새로운 극성 작용기들을 생성한다. 그 결과 고분자 물질의 표면 에너지는 물의 표면에너지인 72 erg/cm2에 가까워지기 때문에, 고분자 물질의 표면은 친수성의 증대와 함께 타 물질과의 강한 접착력을 보이게 된다.
그러나 미국특허 5,783,641호에 기술된 이온 보조 반응법은 후속의 박막 형성 과정에서 고분자 물질 표면이 열적인 손상을 받지 않을 때는 매우 효과적으로 접착력 향상을 얻을 수 있으나, 진공조의 냉각이 용이하지 않거나 열 손상에 매우 민감한 고분자 물질인 경우, 또는 증착율을 높여 후막 형성의 생산성을 높이기 위해 진공조내에 높은 온도가 발생되는 고전력(high Power)의 진공 증착을 하는 경우에는, 높은 온도로 인한 고분자 물질 표면의 열 손상 으로 인해 그 표면처리 효과는 반감되고 결과적으로 후막의 박리가 일어나고 만다.
예를 들면 특히 후막 형성 방법으로 널리 사용되고 있는 마그네트론 스퍼터링 (Magnetron Sputtering) 법에서 증착율을 높이기 위해 고전력을 공급하면 고온, 고밀도 플라즈마(Plasma)가 형성되어 고밀도 플라즈마 내에 있는 고분자 물질 표면의 열 손상이 심각하여 표면처리 효과는 현저히 반감되었다.
마그네크론 스퍼터링법은 진공조에 일반적으로 아르곤(Ar)등의 불활성 가스를 1 ×10 -3 ~ 1 ×10 -2 Torr 까지 주입하고, 양극(Anode)과 타겟(Target)에 해당하는 음극(Cathode)사이에 전압을 인가하면 진공 중에 존재하는 전자가 가속되며 가스 원자와 충돌하게 된다. 그 결과 가스 원자는 전자를 잃고 이온화가 되며, 가스의 플라즈마를 형성한다. 이 때 음극에 자석을 배치하면 전자는 타겟 표면 근처에서 회전 운동을 하고 타겟 표면 근처에 구속되어 이온을 생성한다. 즉 플라즈마의 생성 효율이 높아진다.
타겟에 해당하는 음극은 상대적으로 음전위를 갖음으로 플라즈마 중에 높은 효율로 생성된 양전하는 가속되어 에너지를 갖은 상태에서 타겟 표면에 부딪혀 타겟 물질이 방출되는 스퍼터링(Sputtering) 현상이 발생하고, 이 스퍼터된 입자들이 고분자 물질의 표면에 부착되어 증착이 이루어진다.
이 때 스퍼터 효율, 즉 증착율은 소비되는 전력에 비례한다. 따라서, 증착율을 높이기 위해 고전력을 공급하면 고밀도 플라즈마의 생성에 의해 고열이 발생하게 된다.
이와 같은 종래 기술의 후막 형성 방법 및 그의 장치는 다음과 같은 문제가 있다.
고분자 물질 위에 무전해 도금, 전해 도금, 그리고 진공 증착법을 사용하여 후막을 형성하는 단순한 방법으로는 고분자 표면과 박막의 접착력 향상을 기대할 수 없고, 이를 개선하여 이온 보조 반응에 의한 고분자 표면 개질법으로 표면 처리를 한 후, 고전력(High Power)의 진공 증착을 하면 열손상 등에 의해 그 표면 처리 효과는 반감되고 결과적으로 후막의 박리가 일어나는 문제가 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 후막 형성 방법 및 그의 장치의 문제를 해결하기 위한 것으로 고분자 물질의 표면을 접착이 잘되게 표면에너지를 높여 개질하고, 시드층을 형성하여, 고분자 물질과 접착력이 향상된 후막을 형성하는 후막 형성 방법 및 그의 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 후막 형성 장치의 모식도이다
도2는 실리콘고무(Silicon rubber)기판의 표면처리에 대한 테스트 결과이다.
도 3는 PC 기판의 표면처리에 대한 테스트 결과이다
도 4은 후막이 형성된 테프론 기판이다.
도 5은 시드층과 후막이 형성된 테프론 기판이다.
도 6은 후막이 형성된 PC 기판의 테스트 결과이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 언로딩 영역 2 : 표면 처리 영역
3 : 시드층 형성 영역 4 : 후막 형성 영역
5 : 로딩 영역 6 : 모재
7 : 이송 장치 8 : 제 1 기체 공급구
9 : 제 2 기체 공급구 10 : 제 1 표면 처리용 이온원
11 : 제 2 표면 처리용 이온원 12 : 제 1 스퍼터 증착용 이온원
13 : 제 2 스퍼터 증착용 이온원 14 : 제 1 스퍼터 타겟
15 :제2 스퍼터 타겟 16: 제 1 음극 타겟
17: 제 2 음극 타겟
이와 같은 본 발명의 목적은 다음과 같은 구성에 의해 달성된다.
(1) 본 발명에 따른 모재와 접착력이 향상된 후막 형성 방법은 고분자 물질의 기판을 준비하는 단계; 상기 기판을 표면 개질하는 단계; 상기 기판 상에 시드층을 형성하는 단계; 상기 시드층 상에 후막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
(2) 상기 (1)과 같은 모재와 접착력이 향상된 후막 형성 방법에 있어서, 상기 기판은 탄소(carbon)와 수소(hydrogen)로 구성된 고분자 물질들, 예를 들어 PE, PP, 그리고 PS 들 중에 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
(3) 상기 (1)과 같은 모재와 접착력이 향상된 후막 형성 방법에 있어서, 상기 기판은 탄소(carbon), 수소(hydrogen), 그리고 산소(oxygen)으로 구성되는 고분자 물질들 예를 들어 폴리에스테르(Polyesters), 폴리 탄산 에스테르(Polycarbonates), 폴리에스테르(Polyethers) PC, PET, 그리고 PMMA 들 중에 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
(4) 상기 (1)과 같은 모재와 접착력이 향상된 후막 형성 방법에 있어서, 상기 기판은 탄소(carbon), 수소(hydrogen), 산소(oxygen), 그리고 질소(nitrogen)으로 구성되는 고분자 물질들 예를 들어 폴리아민(Polyamines), 폴리이미드(Polyimides), 폴리우레탄(Polyurethanes) PA, PI, 그리고 PU 들중에 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
(5) 상기 (1)과 같은 모재와 접착력이 향상된 후막 형성 방법에 있어서, 상기 기판은 탄소(carbon), 수소(hydrogen), 그리고 질소(nitrogen)로 구성된 고분자 물질들 예를 들어 폴리이민(Polyimines) , 또는 폴리에틸이민(Phenol-and-amine-formaldehydes ; Polyethylene imine)을 사용하는 것을 특징으로 한다.
(6) 상기 (1)과 같은 모재와 접착력이 향상된 후막 형성 방법에 있어서, 상기 기판은 탄소(carbon), 수소(hydrogen), 산소(oxygen), 그리고 황(sulfur)으로 구성된 고분자 물질들 예를 들어 폴리에스테르 설폰(Polyester sulfone ; Polysulfones) , 또는 PES을 사용하는 것을 특징으로 한다.
(7) 상기 (1)과 같은 모재와 접착력이 향상된 후막 형성 방법에 있어서, 상기 기판은 탄소(carbon), 수소(hydrogen), 그리고 불소(fluorine)을 사용하는 고분자 물질들 예를 들어 폴리비닐리덴 불화물( Polyvinylidene fluoride)을 사용하는 것을 특징으로 한다.
(8) 상기 (1)과 같은 모재와 접착력이 향상된 후막 형성 방법에 있어서, 상기 기판은 탄소(carbon)와 불소(fluorine)로 구성되는 고분자 물질인 PTFE 또는 테프론(Teflon) 을 사용하는 것을 특징으로 한다.
(9) 상기 (1)과 같은 모재와 접착력이 향상된 후막 형성 방법에 있어서, 상기 기판은 탄소(carbon), 수소(hydrogen), 그리고 염소(chlorine)로 구성되는 고분자 물질들 예를 들어 폴리비닐 염화물(Polyvinyl chloride) 또는 폴리비닐리덴 염화물(Polyvinylidene choride ; PVDC)을 사용하는 것을 특징으로 한다.
(10) 상기 (1)과 같은 모재와 접착력이 향상된 후막 형성 방법에 있어서, 상기 기판은 탄소(carbon), 수소(hydrogen), 산소(oxygen), 그리고 실리콘(silicon)으로 구성되는 고분자 물질인 폴리다이메틸 실록산(Polydimethylsiloxane) 또는 실리콘 고무(Poly carbonate -siloxanes ; Silicone rubber)를 사용하는 것을 특징으로 한다.
(11) 상기 (1)과 같은 모재와 접착력이 향상된 후막 형성 방법에 있어서, 상기 기판을 표면 개질하는 조건은, 가속전압 50 eV ∼ 5.0 keV, 이온 도즈(Dose) 1 ×10 14 ~ 5 ×10 18 ions/cm2, 반응성 기체의 유량(Flow Rate) 0 ∼ 1000 ml/min, 그리고 동작 압력(Working Pressure)
1 ×10 -5 ~ 1 ×10 -2 Torr 을 사용하는 것을 특징으로 한다.
(12) 상기 (1)과 같은 모재와 접착력이 향상된 후막 형성 방법에 있어서, 상기 기판의 표면 개질에 사용되는 상기의 에너지를 가진 입자를 생성하는 이온원은 주로 카우프만형(Kaufman), 콜드 할로우 캐소우드형(cold hallow cathode), 전자 사이클로트론 공명형(Electron Cyclotron Resonance), 그리고 무선주파수형(Radio Frequency) 들 중에 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
(13) 상기 (1)과 같은 모재와 접착력이 향상된 후막 형성 방법에 있어서, 상기 시드층은 이온빔 스퍼터(Ion Beam Sputter)용 이온원은 ECR(Electron Cyclotron Resonance)방식으로 최고 20Å /sec의 증착 속도로 증착하는 것을 특징으로 한다.
(14) 상기 (13)과 같은 모재와 접착력이 향상된 후막 형성 방법에 있어서, 상기 이온원은 2.45GHz의 극초단파 방출(Microwave Discharge)를 이용한 ECR(Electron Cyclotron Resonance)형식이며, 200 mm의 모듈이 3개 합쳐져 총 길이 600mm의 광폭을 처리할 수 있고, 최대 가속 에너지는 2 keV이며 2 mA/cm2이상의 전류 밀도(Current Density)를 얻을 수 있으며 ±5% 이내의 균일 영역(Uniform Zone)은 400mm 이상인 것을 특징으로 한다.
(15) 상기 (1)과 같은 모재와 접착력이 향상된 후막 형성 방법에 있어서, 상기 시드층은 이온 빔 스퍼터링(Ion Beam Sputtering), 상기 기판에 열적 손상을 주지 않는 저전력(Low Power)의 열 증착(Thermal Evaporation), 전자 빔 증착(E-Beam Evaporation), 알에프 스퍼터링(RF Sputtering), 그리고 디시 마그네트론 스퍼터링(DC Magnetron Sputtering)들중에 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
(16) 상기 (1)과 같은 모재와 접착력이 향상된 후막 형성 방법에 있어서, 상기 후막은 PVD(Physical Vapor Deposition) 방법, 전해 도금 방법, 그리고 무전해 도금 방법들 중에 하나를 선택하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
(17) 이와 같은 목적을 달성하기 위한 모재와 접착력이 향상되는 후막 형성 장치는 고분자 물질로 이루어진 기판을 공급하는 언로딩 영역; 상기 기판의 표면을 개질하는 표면 처리 영역; 표면 개질된 상기 기판 상에 시드층을 형성하는 시드층 형성 영역; 상기 시드층 상에 후막을 형성하는 후막 형성 영역; 상기 기판을 로딩하는 로딩 영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.
(18) 상기 (17)과 같은 모재와 접착력이 향상되는 후막 형성 장치에 있어서, 상기 언로딩 영역과 로딩 영역은 상기 기판을 상기 표면 처리 영역, 상기 시드층 형성 영역, 그리고 후막 형성 영역으로 이송시키는 이송 장치를 와인딩, 언와인딩 또는 장력(Tension)을 조절하는 것을 특징으로 한다.
(19) 상기 (17)과 같은 모재와 접착력이 향상되는 후막 형성 장치에 있어서, 상기 표면 처리 영역은 반응성 기체를 내부로 유입시키는 기체 공급구와, 별도로 이온원에 공급되는 불활성 또는 반응성 기체를 이온화시키는 이온화부와 이온화된 기체 이온을 가속시켜 이온으로 인출하는 가속부를 포함하는 이온원으로 구성된 것을 특징으로 한다.
(20) 상기 (17)과 같은 모재와 접착력이 향상되는 후막 형성 장치에 있어서, 상기 시드층 형성 영역은 별도로 이온원에 공급되는 불활성 또는 반응성 기체를 이온화시키는 이온화부와 이온화된 기체 이온을 가속시켜 이온으로 인출하는 가속부를 포함하는 스퍼터 증착용 이온원과, 시드층 형성물질을 제공하는 스퍼터 타겟으로 구성된 것을 특징으로 한다.
(21) 상기 (17)과 같은 모재와 접착력이 향상되는 후막 형성 장치에 있어서, 후막 형성 영역은 후막 형성을 위한 RF(Radio Frequency), DC(Direct Current) 또는 RF 마크네트론(Magnetron), MF 마그네트론(Magnetron), 싱글 마그네트론(Single Magnetron), 그리고 듀얼 마그네트론(Dual Magnetron)스퍼터링(Sputtering)용 음극 타겟(cathode target) 들중에 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
(22) 상기 (17)과 같은 모재와 접착력이 향상되는 후막 형성 장치에 있어서, 상기 기판의 처리 방법에 따라 롤(Roll) 형식, 베치(Batch) 형 그리고 인라인(In-Line)형들 중에 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 후막 형성 방법 및 그의 장치에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본발명의 모재와 접착력이 향상되는 후막 형성 장치의 모식도이다.
후막 형성 장치의 진공조는 다섯 개의 영역로 구성된다. 후막을 형성하기 위한 모재(6)를 공급하는 언로딩(Unloading) 영역(1), 고분자 물질로 구성된 모재(6)의 표면을 개질하는 표면 처리 영역(2), 표면 처리된 모재(6) 위에 시드층(Seed Layer)을 형성하는 시드층 형성 영역(3), 시드층(Seed Layer)이 형성된 모재(6) 상에 후막을 형성하는 후막 형성 영역(4), 그리고 후막이 형성된 모재(6)를 로딩하는 로딩 영역(Loading)(5)으로 구분된다. 그리고 처리 길이가 길어짐으로 인해 모재의자체 무게에 의해 늘어짐을 방지하기 위해 표면 처리 영역(2), 시드층 형성 영역(3), 그리고 후막 형성 영역(4)의 연결 부분의 적절한 곳에 장력 조절용 롤(Roll)(도면에 도시하지 않음)을 설치한다.
언로딩(Unloding) 영역(1)과 로딩(Loading) 영역(5)은 고분자 물질로 구성되는 모재(6)를 표면 처리 영역(2), 시드층(Seed layer) 형성 영역(3), 그리고 후막 형성 영역(4)으로 이송시키는 이송 장치(7)를 와인딩(Winding), 언와인딩(Unwinding)하거나 장력(Tension)을 조절한다.
고분자 물질로 구성되어 있는 모재(6)의 표면을 개질시키는 표면 처리 영역(2)은 반응성 기체를 내부로 유입시키는 제 1 기체 공급구(8) 및 제 2 기체 공급구(9)와, 별도로 이온원에 공급되는 불활성 또는 반응성 기체와 별도로 이온원에 공급되는 불활성 기체를 이온화시키는 이온화부와 그 이온화된 기체 이온을 가속시켜 이온으로 인출하는 기속부를 포함하는 제 1 표면 처리용 이온원(10) 및 제 2 표면 처리용 이온원(11)으로 구성된다.
그리고 제 1 표면 처리용 이온원(10) 및 제 2 표면 처리용 이온원(11)으로 부터 발생된 2.5 keV 이하의 이온빔은 고분자 물질로 구성된 모재(6)의 표면을 손상시키지 않고 표면을 활성화시킨다. 활성화된 모재(6)의 표면은 유입되는 반응성 가스와 화학 반응을 통해 모재(6)의 표면에는 새로운 극성 작용기들이 형성되어 표면은 친수성이 되고 타 물질과의 접착력 향상에 기여하게 된다.
앞에서 언급한 고분자 물질들로 구성되는 모재(6)는 탄소(carbon)와 수소(hydrogen)로 구성된 고분자 물질인 PE, PP, 그리고 PS들 중에 하나를 선택하여 사용하거나, 탄소(carbon), 수소(hydrogen), 그리고 산소(oxygen)으로 구성되는 고분자 물질인 폴리에스테르(Polyesters), 폴리탄산에스테르(Polycarbonates), 폴리에스테르(Polyethers) PC, PET, 그리고 PMMA 들중에 하나를 선택하여 사용하거나, 탄소(carbon), 수소(hydrogen), 산소(oxygen), 그리고 질소(nitrogen)으로 구성되는 고분자 물질인 폴리아민(Polyamines), 폴리이미드(Polyimides), 폴리우레탄(Polyurethanes) PA, PI, 그리고 PU 들 중에 하나를 선택하여 사용하거나, 탄소(carbon), 수소(hydrogen), 그리고 질소(nitrogen)로 구성된 고분자 물질인 폴리이민(Polyimines) 또는 폴리에틸 이민(Phenol-and-amine-formaldehydes ; Polyethylene imine)을 사용하거나, 탄소(carbon), 수소(hydrogen), 산소(oxygen), 그리고 황(sulfur)으로 구성된 고분자 물질인 폴리에스테르 설술폰(Polyester sulfone ; Polysulfones) 또는 PES을 사용하거나, 탄소(carbon), 수소(hydrogen), 그리고 불소(fluorine)을 사용하는 고분자 물질인 폴리비닐리덴 불화물(Polyvinylidene fluoride)을 사용하거나, 탄소(carbon)와 불소(fluorine)로 구성되는 고분자 물질인 PTFE 또는 테프론(Teflon)을 사용하거나, 탄소(carbon), 수소(hydrogen), 그리고 염소(chlorine)로 구성되는 고분자 물질인 폴리비닐 염화물(Polyvinyl chloride) 또는 폴리비닐리덴 염화물(Polyvinylidene choride ; PVC)을 사용하거나, 또는 탄소(carbon), 수소(hydrogen), 산소(oxygen), 그리고 실리콘(silicon)으로 구성되는 고분자 물질인 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane) 또는 실리콘 고무(Poly carbonate-siloxanes ; Silicone rubber)를 사용한다.
모재(6)의 표면을 개질하는 공정 조건은, 가속전압 50 eV ∼ 5.0 keV, 이온 도즈(Dose) 1 x10 14 ∼ 5x 10 18 ions/cm2, 반응성 기체의 유량(Flow Rate) 0 ∼ 1000 ml/min, 동작 압력(Working Pressure) 1x 10 -5 ∼ 1 x 10 -2 Torr을 사용한다.
그리고 모재(6)의 표면 개질에 사용되는 이온원은 카우프만형(Kaufman), 콜드 할로우 캐소우드형(cold hallow cathode), 전자 사이클로트론 공명형(Electron Cyclotron Resonance), 그리고 무선주파수형(Radio Frequency) 등 이온의 에너지와 도달하는 이온의 갯 수를 정밀하게 제어할 수 있는 이온원이면 어느 이온원도 가능하다.
표면이 개질된 모재(6) 위에 시드층(Seed Layer)을 형성하는 시드층 형성 영역(3)은 별도로 이온원에 공급되는 불활성 또는 반응성 기체를 이온화시키는 이온화부와 이온화된 기체 이온을 가속시켜 이온으로 인출하는 가속부를 포함하는 제 1 스퍼터(Sputter) 증착용 이온원(12) 및 제 2 스퍼터(Sputter) 증착용 이온원(13)과, 시드층(Seed Layer)의 형성 물질을 제공하는 제 1 스퍼터 타겟(Sputter Target)(14) 및 제 2 스퍼터 타겟(Sputter Target)(15)으로 구성된다.
이 이온원은 2.45GHz의 극초단파 방출(Microwave Discharge)를 이용한 ECR(Electron Cyclotron Resonance)형식이며, 200 mm의 모듈이 3개 합쳐져 총 길이 600mm의 광폭을 처리할 수 있다. 최대 가속 에너지는 2 keV이며 2 mA/cm2이상의 전류 밀도(Current Density)를 얻을 수 있으며 ±5% 이내의 균일 영역(Uniform Zone)은 400mm 이상이다.
시드층 형성 영역(3)에서 보여 주는 것과 같이, 제 1 스퍼터(Sputter) 증착용 이온원(12) 및 제 2 스퍼터(Sputter) 증착용 이온원(13)에서 에너지를 갖는 이온빔은 제 1 스퍼터 타겟(14) 및 제 2 스퍼터 타겟(15)에 조사되고 입사 이온과의 충돌에 의해 에너지를 얻을 제 1 및 제 2 스퍼터 타겟(14, 15)의 원자들은 제 1 및 제 2 스퍼터 타겟으로부터 방출되어 스퍼터 입자가 된다.
이 스퍼터 입자들은 고분자 물질의 표면에 도달하여 박막을 형성하며 접착력의 향상, 박막의 치밀성, 균일성, 결정성 등에 도움을 준다. 이와 같은 방법을 이온빔 스퍼터 방식이라 한다. 이온빔 스퍼터 방식은 상온에서 성막이 가능하고 저온 공정에 적합한 방식으로 열적인 손상에 크게 영향을 받는 고분자 물질의 성막형성에 매우 효과적인 방법이라 할 수 있다.
그리고 시드층을 형성하는 방법은 이온 빔 스퍼터링(Ion Beam Sputtering)뿐만 아니라 모재에 열적 손상을 주지 않는 저전력(Low Power) 또는 고분자 모재에 열적 손상을 주지 않는 열 진공 증착(Thermal Evaporation), 전자 빔 진공증착(E-Beam Evaporation), 알에프 스퍼터링(RF Sputtering), 디시 마그네트론 스퍼터링(DC Magnetron Sputtering) 등도 사용가능하다.
시드층(Seed layer) 상에 후막을 형성하는 후막 형성 영역(4)은 후막 형성을 위한 RF(Radio Frequency), DC(Direct Current) 또는 RF 마크네트론(Magnetron), MF 마그네트론(Magnetron), 싱글 마그네트론(Single Magnetron) 또는 듀얼 마그네트론(Dual Magnetron) 스퍼터링(Sputtering)용 제 1 음극 타겟(Cathode Target)(16) 및 제 2 음극 타겟(Cathode Target)(17)으로 구성되어 있다.
이 방법들은 성막 물질이 절연물, 산화물, 또는 전도성 물질인가에 따라서 또는 결과로 얻어지는 후막의 요구 특성에 따라 적절한 방법을 선택하여 사용한다.
제 1 도는 롤(Roll) 형식 고분자 물질로 구성된 재료를 처리하는 후막 형성 장치를 보여주고 있으나, 롤(Roll) 형식이 곤란한 제품을 처리하기 위해 언로딩(unloding) 영역(1) 및 로딩(loding) 영역(5)을 개량하여 배치(Batch) 형 또는 인라인(In-Line)형의 장치로 개조하여 처리할 수 있고, 필요에 따라 단면 또는 양면의 동시 처리가 가능하다.
또한 표면 처리 영역(2)에서 고분자 물질로 구성된 모재(6)의 표면을 처리한 후 바로 무전해 도금으로 후막을 형성할 수 있다. 또 다른 방법으로 모재(6)를 표면 처리하고 시드층을 형성한 후 시드층상에 전해도금으로 후막을 형성할 수 있다.
도2는 실리콘고무(Silicon rubber)기판의 표면처리에 대한 테스트 결과이다. 표면처리의 효과를 확인하기 위해 실리콘 고무 기판에 S I L I O N이라는 글자만 마스크를 통해 표면처리 한 후 구리 시드층(Cu Seed Layer)을 약 2000Å 증착하고 스카치 테이프 테스트(Scotch Tape Test)로 그 접착력을 조사한 것이다. 표면 에너지가 30ergs/cm2 이하로 매우 낮은 실리콘 고무 기판과 구리 시드층 사이에도 우수한 접착력이 구현 되었음을 알 수 있다
도 3은 PC(Polycarbonate) 기판의 표면처리에 대한 테스트 결과이다.
표면 처리의 효과를 확인하기 위해, 모재로 PC(Polycarbonate) 기판을 사용하고, 표면 처리하지 않은 PC 기판과 표면 처리한 PC 기판에 각각 구리 시드층(Cu Seed Layer)를 약 2000 Å 증착하고, 1mm 간격의 크로스 컷 스카치 테이프테스트(Cross-Cut Scotch Tape Test) ASTM D3359로 그 접착력을 조사한 것이다.
도 3a)는 이온보조반응에 의한 고분자 물질의 표면처리를 하지 않은 PC에 Cu seed layer를 약 2000 Å정도의 두께로 증착하여 그 접착력을 1mm 간격의 cross -cut Scotch tape test ASTM D3359 로 조사한 것을 보여주고 있다. 모재로 PC 기판을 사용하고, 표면 처리하지 않은 PC 기판에 구리 시드층을 증착한 것으로 PC 기판과 구리 시드층의 접착력이 좋지 않아 박리가 일어난다.
도 3b)는 이온보조반응에 의한 고분자 물질의 표면처리를 한 PC에 Cu seed layer를 약 2000 Å정도의 두께로 증착하여 그 접착력을 1mm 간격의 cross -cut Scotch tape test ASTM D3359 로 조사한 것을 보여주고 있다. 모재로 PC 기판을 사용하고, 표면 처리한 PC 기판에 구리 시드층을 증착한 것으로 PC 기판과 구리 시드층이 우수한 접착력을 보인다
도 3b)와 같이 PC 기판과 박막(구리 시드층) 사이의 우수한 접착력은 구현되었으나, 구리 시드층의 2000 Å 두께로는 전자파 차폐 효과나 FPC, PCB기판 재료에 사용하기에는 충분하지 않으므로 후막 형성 공정이 추가되어야 한다. 절연성 고분자 기판에 후막을 형성하는 방법으로 증착속도가 빠른 무전해 도금법을 사용한다.
도 4는 후막이 형성된 테프론 기판이다.
이온보조반응에 의한 고분자 물질의 표면처리방법으로 테프론 기판을 표면처리한 후 무전해 도금을 통해 약 1㎛ 두께의 구리층을 형성한 것으로 접착력이 우수한 PCB용 기판을 만들 수 있다. 그러나 무전해 도금법은 성막되는 물질이 일정량 들어있는 전해액 속에 테프론 기판을 담구어 성막을 하는 방법이므로 성막되는 물질이 전해액 중에서 모두 소비되면 더 이상 막을 형성할 수 없어 형성할 수 있는 후막의 두께에 제한이 있다. 따라서 1㎛ 이상의 막 두께를 얻기 어렵기 때문에 용도에 제한을 받는다.
도 5는 시드층과 후막이 형성된 테프론 기판이다.
이온보조반응에 의한 고분자 물질의 표면처리방법으로 테프론 기판을 표면처리한 후 제 2 공정으로 상기 고분자 기판에 열적 손상을 주지 않는 저전력의 저온 증착방법으로 기판과의 접착력이 우수한 전도성 시드층(seed layer)을 형성하고, 증착 속도가 빠른 전해 도금법으로 대략 4 ∼5㎛ 두께의 구리층을 형성한 것으로 테프론 기판과 시드층 사이의 접착력은 물론, 시드층과 전해 도금층 사이의 접착력도 우수하다.
도 6은 후막이 형성된 PC(Polycarbonate) 기판의 테스트 결과이다.
PC 기판을 표면 처리하고 후막을 형성한 후 크로스 컷 스카치 테이프 테스트(Cross-Cut Scotch Tape Test) ASTM D3359로 검사한 결과를 나타낸 것이다.
도 6a)는 이온보조반응에 의한 고분자 물질의 표면처리방법으로 PC 기판을 표면 처리한 후, 증착율이 높은 고전력(high power) PVD 방법으로 후막을 형성한 것으로, 1mm 간격의 크로스 컷 스카치 테이프 테스트(Cross-Cut Scotch Tape Test) ASTM D3359로 PC 기판과 후막의 접착력을 검사한 결과, 고전력(High Power)에 의한 열 손상에 의해 표면 처리 효과가 반감되어 박막은 기판으로부터 박리가 된다.
도 6b)는 이온보조반응에 의한 고분자 물질의 표면처리방법으로 PC 기판을 표면 처리한 후 제 2공정으로 상기 고분자 기판에 열적 손상을 주지 않는 저전력의저온 증착방법으로 2000 Å 정도의 기판과의 접착력이 우수한 전도성 시드층(seed layer)을 형성하고, 증착속도가 빠른 고전력(high power) PVD 방법으로 후막을 형성하여, 1mm 간격의 크로스 컷 스커치 테이프 테스트(Cross-Cut Scotch Tape Test) ASTM D3359로 기판과 후막의 접착력을 검사한 결과, 접착력이 좋은 시드층이 표면 처리된 기판을 고온의 고전력 플라즈마로부터 보호해 줌으로써 접착력이 뛰어난 후막을 형성한다.
이와 같은 본 발명에 따른 모재와 접착력이 향상된 후막 형성 방법 및 그의 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
고분자 물질 위에 후막을 형성하기 전에 고분자 물질의 표면과 후막의 접착력 향상을 위해 플라즈마나 UV(Ultra Violet), 그리고 이온빔(Ion Beam) 등으로 고분자 표면을 처리하는 방법과 냉각이 용이하지 않거나 열 손상에 매우 민감한 시료의 경우 이온 보조 반응에 의한 고분자 표면 개질법으로 표면 처리를 한 후, 증착율을 높여 후막 형성의 생산성을 높이는 고전력의 진공 증착 방법등이 시도되고 있으나 표면 처리 방법의 효과가 미미하거나 후막을 형성하는 과정에서 고분자 표면이 손상을 입어 결국 접착력을 저하시키고 특히 열 손상 등에 의해 그 표면 처리 효과는 반감되고 결과적으로 후막의 박리가 일어나는 문제점을 개선하기 위해, 고분자 물질의 표면을 개질한 후 시드층을 형성하여 기판과 접착력이 우수한 후막을 형성하는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 고분자 표면을 이온보조반응에 의해 표면처리한 후 증착 속도가 빠른 무전해도금에 의해 기판과의 접착력이 우수한 후막을 형성하는 방법.
  2. 고분자 표면을 이온보조반응에 의해 표면처리한 후 처리한 표면에 열적 손상을 주지 않는 저온 증착법으로 Seed Layer를 형성하여 기판과의 접착력이 우수한 전도층을 형성하고 그 위에 증착 속도가 빠른 전해도금에 의해 후막을 형성하는 방법.
  3. 고분자 표면을 이온보조반응에 의해 표면처리한 후 처리한 표면에 열적 손상을 주지 않는 저온 증착법으로 Seed Layer를 형성하여 기판과의 접착력이 우수한 보호층을 형성하고 그 위에 증착 속도가 빠른High Power의 PVD법으로 후막을 형성하는 방법.
  4. 상기 청구항 1, 2, 3에 있어서 고분자 기판은 탄소(carbon)을 주축으로 수소(hydrogen), 산소 (oxygen), 질소(nitrogen), 실리콘(silicon), 불소(fluorine), 황(sulfur), duath(chlorine)등의 원소들과 결합하여 분자량이 큰 유기물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 모재와의 접착력이 우수한 후막을 형성하는 방법.
  5. 상기 청구항 1, 2, 3에 있어서 Roll형식으로 처리하는 후막형성 장치.
  6. 상기 청구항 1, 2, 3에 있어서 Batch형식으로 처리하는 후막형성 장치.
  7. 상기 청구항 1, 2, 3에 있어서 In-Line형식으로 처리하는 후막형성 장치.
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