KR20040085192A - 기판 코팅방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속과 같은 재료의 층으로 기판을 코팅하는 방법과 장치에 관한 것으로서, 다량의 전기 전도성 재료가 낮은 주위 압력의 공간에서 기화되고 에너지는 기화될 재료에 이 재료를 기화시키기 위하여 공급되며 기화되고 있는 동안 기화될 재료는 지지없이 공간으로 부상되어 교류 전자기장으로 둘러싸여 있고 교류 전자기장은 고주파 교류전류의 도움으로 발생되는 것을 특징으로 한다.

Description

기판 코팅방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR COATING A SUBSTRATE}

본 발명은 기판을 금속과 같은 재료의 층으로 코팅하는 방법에 관한 것이며 여기에서 다량의 전기 전도성 재료는 낮은 주위압력의 공간에서 기화되고 에너지는 기화될 재료에 이 재료를 기화시키기 위해 공급된다. 또한 본 발명은 기판을 코팅하는 장치 및 그 방법 또는 장치를 이용해 제조되는 기판에 관한 것이다.

상기의 방법은 코팅재료의 (얇은) 층으로 기판을 코팅하는 기술로 공지되어 있으며 그 방법은 물리기상증착(PVD)으로 불리어 진다. 이 기술은 전자 및 광학산업, 유리산업 그리고 모든 분야에 응용되는 금속 코팅된 플라스틱 시트의 제조에 널리 이용된다. PVD는 얻어질 수 있는 품질이 높으며 제조되는 생산물의 낭비가 없기 때문에 매력적인 코팅방법이다.

PVD 사용 시, 코팅재료는 우선 기체상으로 변화되어야 한다. 이는 진공챔버(vacuum chamber)로 알려진 매우 낮은 주위압력을 갖는 챔버에서 코팅재료를 가열함으로써 달성된다. 가열의 결과로, 압력이 증기가 발생하는 코팅재료의 뜨거운 면과 열역학적 평형상태에 도달할 때까지 코팅재료는 증기로 변화된다. 이 평형상태 증기압력은 증기가 부착되는 기판으로의 코팅재료의 이동속도(transfer rate)에 가장 중요한 매개변수이다. 평형상태 증기압력은 코팅재료의 온도에 종속한다. 기판으로의 코팅재료의 바람직한 이동속도, 즉 기판에 부착되는 코팅재료의 바람직한단위시간당 양을 얻기 위해 코팅재료는 높은 온도로 가열되어야 한다. 이 온도는 대게 대기압에서의 끓는점의 절반 정도이거나 가끔은 그 이상일 때도 있다. 실제로 금속에 있어서의 그 온도는 아연에서의 약 600℃와 니오브 및 레늄에서의 약 2200℃ 사이에 있다. 탄탈, 몰리브덴 및 텅스텐과 같은 금속은 PVD에 사용되지 못 할 정도로 높은 온도가 요구된다. 티탄, 크롬, 니켈, 알루미늄 및 이와 유사한 금속은 재료 이동속도가 너무 낮아 거의 이용되지 않는다.

PVD 이용 시의 결점은 높은 공정 온도 때문에 기화되어야 하는 코팅재료가 항상 액상으로 있는 사실에 의해 이동속도가 근본적으로 제한된다는 것이다. 결과적으로 그 재료는 예를 들면 세라믹재료 또는 구리로 제작된 도가니 안에 있어야 한다. 후자의 경우 고화된 고팅재료의 얇은 막이 구리를 덮고 그 결과 구리는 용융이나 기화로부터 보호되어 영향을 받지 않도록 강한 수냉이 요구된다. 구리 도가니의 냉각에서 한 가지 결점은 공급된 열량의 상당 부분이 냉각의 결과로 손실된다는 것이다. 세라믹 도가니의 사용은 높은 공정 온도에서 도가니의 재료와 화학반응을 일으키지 않는 코팅재료로 제한된다. 또한 대부분의 세라믹재료는 열전도율이 낮기 때문에 세라믹 도가니 사용 시 요구되는 열에너지의 공급에 문제가 발생한다.

본 발명의 목적은 PVD를 이용한 향상된 기판 코팅방법 및 장치를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 코팅재료의 이동속도가 지금까지 가능했던 것보다 빠른 타입의 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 PVD에 이용하는 재료로 지금까지 불가능했던 코팅재료를 사용하는 것을 실제 가능하게 만드는 타입의 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 1관점에 의하면, 하나 또는 그 이상의 상기 목적은 금속과 같은 재료의 층으로 기판을 코팅하는 방법에 의해 달성되며 여기에서 다량의 전기 전도성 재료가 낮은 주위압력을 갖는 공간에서 기화되고 에너지는 상기 재료를 기화시키기 위해 기화될 재료에 공급되며, 기화될 재료는 기화되는 동안 공간으로 지지 없이 부상(floating)되어 교류 전자기장에 둘러싸이고 교류 전자기장은 고주파 교류전류의 도움으로 발생된다.

기화될 재료를 지지 없이 공간에 부상시키는 것은 더 이상 구리나 세라믹 도가니의 사용이 불필요하다는 것을 의미한다. 결과적으로 도가니는 더 이상 제한인자을 만들지 않기 때문에 기화될 재료에 높은 온도를 전달하는 것이 가능하게 된다. 그 결과 기화된 재료의 기판으로 이동속도는 증가 될 수 있다. 또한 더 이상 도가니 사용이 불필요하기 때문에 지금까지 도가니 재료와의 반응력으로 인해 사용이 불가능했던 재료를 기화시키는 것이 가능하다.

전기 전도성 재료가 로렌츠 힘의 결과로 교류 전자기장에 둘러싸이는 것이 가능하며 로렌츠 힘은 외부 자기장과 전기 전도성 재료에 유도되는 와전류 사이의 상호작용에 의해 발생한다.

교류 전자기장은 고주파 교류전류의 도움으로 발생한다. 충분히 큰 질량의 전기 전도성 재료를 부상시키기 위하여 고주파 교류 전류가 요구되며 이는 유효하게 기화되어 산업적 규모로 기판을 코팅하기에 충분한 단위 분당 다량의 전기 전도성 재료의 양을 얻기 위해서이다.

전도시킨 재료를 교류 전자기장내에 부상시켜 용융하는 공정은 "부상용융 (levitation melting)"으로 공지되어 있다. 상기 목적을 위한 장치 및 방법은 유럽특허출원 제 EP 075136 호에 기술되어 있으며 이 예에서 용융된 재료는 정밀주조에 이용된다. 용융된 재료가 접촉되지 않아야 하는 수냉식 도가니가 항상 사용된다는 것은 유념해야 한다. 또한 교류 전자기장내에서의 부상용융은 2000년 4월 3일부터 6일까지 일본 나고야에서 개최된 제 3 회 "재료의 전자기적 처리에 대한 국제 심포지엄" 의 여러 권위자들의 논문집 P345-375에 기술되어 있다. 그러나 지금까지의 부상용융은 물리기상증착과 함께 사용된 적이 없으므로 본 발명을 따르는 기화에 의한 부상용융은 공지되지 않았다.

교류전류의 주파수는 10 kHz 또는 그 이상, 바람직하게는 50 kHz 또는 그 이상, 더 바람직하게는 250 kHz 또는 그 이상, 더욱 더 바람직하게는 1 MHz 또는 그 이상, 한층 더 바람직하게는 1.5 MHz 또는 그 이상이다. 주파수의 레벨은 예를 들어 기판이 연속적으로 코팅되어야 한다면 단위 시간당 기화되는 재료의 양과 관련이 있다. 이는 선택된 온도에서 부상하는 재료에 소정 증발 표면적을 요구한다. 부상하는 재료의 상기한 양은 부상하는 재료의 표면층에 최소한의 와전류를 요구하므로 최소한의 교류전류 주파수를 요구한다.

바람직한 실시예에 따르면 교류 전자기장은 200 A 또는 그 이상의 전류세기, 바람직하게는 500 A 또는 그 이상의 전류세기, 더 바람직하게는 1 kA 또는 그 이상의 전류세기, 더욱 더 바람직하게는 4 kA 또는 그 이상의 전류세기를 갖고, 코일을통하여 흐르는 교류전류의 도움으로 발생한다. 교류전류의 세기는 충분한 가열용량을 얻기 위해 교류전류의 주파수 레벨의 함수로 정하여 진다.

바람직하게는 부상하는 재료에 소비되는 전력은 최소한 2 kW, 바람직하게는 최소한 5 kW, 더욱 바람직하게는 최소한 10 kW이다. 부상하는 재료의 기화는 소비전력이 커짐에 따라 증가하므로 이는 바람직한 것이다.

이 방법의 실시예에 따르면 기화될 재료는 전자기 유도 가열의 도움으로 가열된다. 이렇게 하여 기화될 재료는 소정의 고온으로 가열될 수 있다.

기화될 재료는 레이저빔 및/또는 전자충격 및/또는 유도쌍플라즈마(ICP) 및/또는 저항가열에 의해 택일적으로 또는 부가적으로 가열될 수 있다. 이런 모든 가열방법들은 부상하는 재료를 가열시키기 위하여 쉽게 사용될 수 있다.

바람직하게는, 기화되고 있는 재료는 교류 전자기장이 시간의 경과에 따라 기화될 재료의 보충분을 끌어들임으로써 충전된다. 재료를 끌어들이는 교류 전자기장의 역할은 기화될 재료의 충전을 쉽게 하는 것이며 이 양은 기화의 결과로 연속적으로 또는 단계적으로 증가한다.

실시예에 따르면 코일의 교류 전자기장은 교류장의 분리된 영역이 기화될 재료를 끌어들이는 식으로 형성된다. 만약 기화될 재료가 교류장의 분리된 영역 안으로 끌어 들여지면 재료가 기화되고 있는 교류장의 상기 영역은 교란되지 않거나 더 작은 범위로 교란된다.

이 실시예에서 끌어 들여질 재료는 공간에 자유롭게 떠다니지 못한다. 그래서 끌어 들여질 재료가 교류 전자기장에 의해 끌어 들여지는 공간의 한 위치로 이동되는 것은 쉽다.

이 방법의 또 다른 실시예에 따르면 교류장의 분리된 영역은 코일로부터 분리된 보조코일에 의하여 얻어진다. 결과적으로 기화될 재료를 끌어 들이는 작용은 재료의 기화와 별개로 제어되고 조절된다.

바람직하게는, 상기 방법은 티탄, 마그네슘, 주석, 아연, 크롬, 니켈 또는 알루미늄, 또는 이들 금속 중 하나와 이들 금속 또는 다른 금속을 포함하는 하나 또는 둘 이상의 재료와의 혼합물을 기화시키는 데에 이용되며 이는 이들이 상업적으로 중요한 코팅금속이기 때문이다. 기화 후, 일부 금속들은 산소 또는 질소와 같은 반응가스와 반응하여 비전도성 산화물이나 질화물을 생성하는 결과를 낳을 수도 있다. 이 반응은 기체상인 동안에 또는 기판으로의 응축 후 즉시 일어 날 수도 있다.

실시예에 따르면 기판은 연속적으로 재료의 층으로 코팅된다. 많은 예에서, 이것은 기판이 스트립 형상으로 진공챔버를 통과하고 진공챔버 내에 스트립 부분이 머무르는 동안 상기 스크립 부분을 코팅하기 위하여 충분한 재료가 기화되어야 한다는 것을 의미하다. 지금까지는 이것은 낮은 이동속도로 인해 불가능했으나 상기 방법의 도움으로 충분한 재료를 충분히 빠르게 기화시켜서 스트립과 같은 기판을 산업적 규모로 코팅시키는 것이 가능하다.

본 발명의 제 2 관점은 챔버 내부를 낮은 주위압력으로 만들기 위한 수단, 기화될 재료를 수용하기 수단, 및 기화될 재료를 가열하기 위한 수단을 구비하는 챔버를 포함하고, 상기 기화될 재료를 수용하는 수단은 기화될 재료를 지지없이 부상시키기 위하여 교류 전자기장을 발생시키는 데에 이용될 수 있는 코일을 포함하여 전기 전도성 재료를 기화시킴으로써 금속 등의 재료의 층으로 기판을 코팅하기 위한 장치를 제공한다.

코일설비는 기화될 재료를 부상키는 것을 가능하게 함으로써 더 이상 도가니가 필요하지 않게 되고 그 결과 상기한 방법은 이 장치의 도움으로 실시될 수 있다.

바람직하게는, 코일은 고주파 교류전류에 의해 교류 전자기장을 발생시키도록 설계된다. 코일이 고주파 교류전류를 이용하므로 교류 전자기장이 형성되며 로렌츠 힘은 기화될 재료의 부상을 유지하게 할 수 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 재료를 가열하기 위한 수단은 전자기 유도코일을 포함한다. 결과적으로 가열될 재료는 가열수단과의 접촉없이 고온으로 쉽게 가열될 수 있다.

바람직하게는 장치내의 코일에서 상기한 고주파 교류전류와, 교류전류의 상기한 세기도 발생시키는 것이 가능하다.

재료를 가열하기 위한 수단은 레이저 및/또는 전자 공급원을 택일적으로 또는 부가적으로 포함한다. 이 수단들은 비록 조금 더 좁은 범위지만 기화될 재료의 가열에도 이용될 수 있다.

바람직하게는 챔버로부터 코일을 격리시키기 위한 수단이 있다. 진공챔버의 기화 공간으로부터 코일의 격리는 기화될 재료로부터 코일을 분리하는 것을 용이하게 하고 기화챔버에 들어온 재료를 더럽히지 않고 또한 기판에 닿지 않으며 코일의매우 우수한 냉각을 가능하게 한다. 또한 냉각제는 챔버 내에 단락을 발생시킬 수 없다. 결과적으로 코일이 높은 전력을 일으키고 이것을 기화될 재료에 전달하는 것이 가능하다. 바람직하게는, 세라믹은 높은 온도와 냉각제에 대한 내성이 있으므로 격리수단은 세라믹재료로 만들어진다. 격리수단은 예를 들면 세라믹관으로 구성하는데 이는 생산과 사용이 용이하기 때문이다.

또한 코일에 대한 격리수단은 코일에 의해 생성된 와전류의 결과로 격리재료 상에 응축되는 전도성 재료가 녹거나 기화되는 이점을 제공하여 전도성 재료를 용융재료로서 부상한 재료에 되돌리거나 기판을 코팅하는 증기로 이용된다. 따라서 격리된 코일은 자기세정(self-cleaning)한다.

실시예에 따르면, 사용하는 동안 기화하는 재료를 충전하기 위하여 기화될 재료를 와이어 형상으로 공급하기 위한 공급수단이 있다. 기화될 재료는 재료의 일부가 단위시간당 증발하기 때문에 지속적으로 충전되어야 한다. 이를 위하여 공급수단은 진공챔버가 진공을 유지하는 식으로 설계되어야 한다.

바람직하게는 측정장비가 챔버 내에 배치된다. 이 측정장비는 공정을 제어하는 데에 이용된다. 바람직하게는 측정장비는 온도측정을 위한 것 중 예를 들면 광학 파이로미터같은 것이 적합하다.

본 발명의 제 3 관점은 전기전도성 재료층을 포함하고 상기 방법 및/또는 상기 장치의 도움으로 생산되는 기판에 대한 것이며, 여기에서 바람직하게는 전기 전도성 물질은 금속, 더 바람직하게는 티탄, 마그네슘, 주석, 아연, 크롬, 니켈 또는 알루미늄, 또는 이들 금속 중 하나와 이들 또는 다른 금속을 포함하는 하나 또는둘 이상의 재료와의 혼합물이다.

Claims (24)

1. 다량의 전기 전도성 재료가 낮은 주위 압력을 갖는 공간에서 기화되고 에너지가 상기 재료를 기화시키기 위해 기화될 재료에 공급되어 금속 등의 재료의 층으로 기판을 코팅하는 방법에 있어서,

   기화되는 동안 기화될 재료가 지지 없이 상기 공간에 부상되어 교류 전자기장에 둘러싸여 있으며, 상기 교류 전자기장은 고주파 교류전류의 도움으로 생성되는 것을 특징으로 하는 기판 코팅방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   교류전류의 주파수는 10kHz 또는 그 이상, 바람직하게는 50 kHz 또는 그 이상, 더 바람직하게는 250 kHz 또는 그 이상, 보다 더 바람직하게는 1 MHz 또는 그 이상, 한층 더 바람직하게는 1.5 MHz 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 기판 코팅방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   교류 전자기장은 200 A 또는 그 이상, 바람직하게는 500 A 또는 그 이상, 더 바람직하게는 1 kA 또는 그 이상, 보다 더 바람직하게는 4 kA 또는 그 이상의 전류세기를 갖는 코일을 통하여 흐르는 교류전류의 도움으로 생성되는 것을 특징으로 하는 기판 코팅방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   부상하는 재료에 소비되는 전력은 적어도 2 kW, 바람직하게는 적어도 5 kW, 더 바람직하게는 적어도 10 kW인 것을 특징으로 하는 기판 코팅방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   기화될 재료는 전자기 유도가열의 도움으로 가열되는 것을 특징으로 하는 기판 코팅 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   기화될 재료는 레이저빔 및/또는 전자충격 및/또는 유도쌍플라즈마 및/또는 저항가열의 도움으로 가열되는 것을 특징으로 하는 기판 코팅방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   기화되고 있는 재료는 교류 전자기장이 시간의 경과에 따라 기화될 재료의 보충분을 끌어들이는 결과로써 충전되는 것을 특징으로 하는 기판 코팅방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   코일의 교류 전자기장은 교류 전자기장의 분리된 영역이 기화될 재료를 끌어들이는 식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 기판 코팅방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   끌어들여 질 재료는 상기 공간에서 자유롭게 유동되지 않는 것을 특징으로 하는 기판 코팅방법.
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,

    교류 전자기장의 분리된 영역은 코일로부터 분리된 보조코일에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 기판 코팅방법.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

    티탄, 마그네슘, 주석, 아연, 크롬, 니켈 또는 알루미늄, 또는 상기 금속 중 하나와 금속을 포함하는 하나 또는 그 이상의 재료와의 혼합물이 기화되는 것을 특징으로 하는 기판 코팅방법.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,

    기판은 연속적으로 재료의 층으로 피복되는 것을 특징으로 하는 기판 코팅방법.
13. 챔버 내부를 낮은 주위 압력으로 만드는 수단, 기화될 재료를 수용하는 수단, 그리고 기화될 상기 재료를 가열하는 수단을 구비하는 챔버를 포함하고 전기전도성 재료를 기화시킴으로써 금속 등의 재료의 층으로 기판을 코팅하는 코팅장치에 있어서,

    상기 기화될 재료를 수용하는 수단은 기화될 재료를 지지없이 부상시키기 위하여 교류 전자기장을 발생시키는 데에 이용 될 수 있는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 코팅장치.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 코일은 고주파 교류전류에 의해 교류 전자기장을 발생시키도록 설계되는 것을 특징으로 하는 기판 코팅장치.
15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,

    상기 재료를 가열하는 수단은 전자기 유도코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 코팅장치.
16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 재료를 가열하는 수단은 레이저 및/또는 전자 공급원을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 코팅장치.
17. 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,

    챔버로부터 코일을 격리하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 코팅장치.
18. 제 17 항에 있어서,

    상기 격리수단은 세라믹 재료로 만들어 지는 것을 특징으로 하는 기판 코팅장치.
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 격리수단은 세라믹 관을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 코팅장치.
20. 제 13 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,

    사용하는 동안 기화되고 있는 재료를 충전하기 위해 기화될 재료를 와이어 형상으로 공급하는 공급장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 코팅장치.
21. 제 13 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,

    측정장비가 챔버 내에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 기판 코팅장치.
22. 제 21 항에 있어서,

    상기 측정장비는 온도측정에 적합한 것을 특징으로 하는 기판 코팅장치.
23. 제 13 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,

    제 1 항 내지 12 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하는 데에 적합한 것을 특징으로 하는 기판 코팅장치.
24. 전기 전도성 재료층을 포함하고, 제 1 항 내지 12 항 중 어느 한 항에 따른 방법 및/또는 제 13항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 따른 장치로 생산되는 기판에 있어서,

    상기 전기 전도성 재료는 금속, 바람직하게는 티탄, 마그네슘, 주석, 아연, 크롬, 니켈 또는 알루미늄, 또는 상기 금속 중 하나와 금속을 포함하는 하나 또는 그 이상의 재료와의 혼합물인 것을 특징으로 하는 기판.