KR20170007357A - 진공 중 음극성 아크 물리 기상 증착(pvd)에서의 매크로 입자를 필터링하기 위한 방법 - Google Patents

진공 중 음극성 아크 물리 기상 증착(pvd)에서의 매크로 입자를 필터링하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

상기 방법은 소스 상의 아크 응용 수단에 의해 고체 소스(1)로부터 재료를 증발시키는 단계, 증발된 재료의 이온, 마이크로 입자(증기) 및 전자를 포함하는 플라즈마를 상기 마이크로 입자 및 이온보다 큰 사이즈의 매크로 입자와 함께 형성하는 단계를 포함하는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착(PVD: Physical Vapor Deposition)에서 매크로 입자를 필터링하는 방법이 개시된다. 상기 아크는 지점 P2 에서 증발되는 재료의 상기 전자, 상기 마이크로 입자 및 상기 이온이 상기 소스를 마주하여 코팅되는 기판(2)을 향하는 경로로부터 벗어나는 속도 Vcs (표면 속도) 로 상기 소스 상에서 이동되고, 지점 P1 에서 형성되는 매크로 입자는 상기 아크에 의해 사전에 걸러짐으로써, 상기 매크로 입자의 플라즈마에 대한 자가 세척이 가능해지고 상기 기판 상에 오직 세척된 플라즈마만이 응축될 수 있다.

Description

진공 중 음극성 아크 물리 기상 증착(PVD)에서의 매크로 입자를 필터링하기 위한 방법{METHOD TO FILTER MACRO PARTICLES IN CATHODIC ARC PHYSICAL VAPOR DEPOSITION(PVD), IN VACUUM}
본 발명은 진공 중 음극성 아크 물리 기상 증착(PVD)에서의 매크로 입자를 필터링하기 위한 방법에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명은 전술한 형태의 방법으로서, 소스 상의 아크에 대한 응용 수단에 의해 고체 소스("음극")로부터 재료를 증발시키는 단계, 마이크로 입자 및 이온보다 큰 사이즈의 매크로 입자와 함께, 증발되는 재료의 전자, 중성 마이크로 입자(증기) 및 이온을 포함하는 플라즈마를 형성하는 단계를 포함하고, 여기서, 플라즈마는 매크로 입자로부터 세척되어 코팅될 기판 상의 매크로 입자의 증착을 방지하게 된다.
본 발명은 또한 전술한 방법을 구현하기 위한 시스템과도 관련된다.
음극성 아크 물리 기상 증착(PVD: Physical Vapor Deposition) 중, 진공에서 매크로 입자를 필터링하기 위한 방법 및 시스템이 공지되어 있다.
전술한 형태의 증착에서, 고체 소스("음극")의 재료는 소스 상의 아크 응용 수단에 의해 진공 챔버 내에서 증발되며, 전자, 중성 마이크로 입자(증기) 및 증발되는 재료의 이온을 포함하는 플라즈마를 상기 재료의 마이크로 입자와 함께 생성한다. 아크 응용은 소스 상의 전류를 방전시키는 단계 및 그 상부의 아크를 이동시키는 단계로 구성되어, 그의 상이한 표면 영역을 증발시킨다.
생성되는 매크로 입자의 사이즈는 중성 마이크로 입자 및 이온보다 크고, 만약 매크로 입자가 나머지 플라즈마로 응축된 기판에 도달한다면, 이들은 코팅에서의 결함을 발생시킨다.
구체적으로, 더 얇은 코팅이 요구될수록 플라즈마 플로우에서의 매크로 입자는 더욱더 불필요해진다. 몇가지 경우에서, 형성되는 코팅의 두께는 매크로 입자의 사이즈와 비교가능하고 플라즈마 플로우에서의 소수 매크로 입자의 존재는 코팅의 양에 부정적 영향을 미치기에 충분하다.
무결점 코팅 형성의 어려움을 보다 잘 이해하기 위해, 소스 부식의 주요 부산물이 이온 및 매크로 입자라는 것을 고려한다면 충분하다; 중성 마이크로 입자(증기)는 단지 1%의 플라즈마를 형성한다. 소스가 낮은 열전도 계수 및 낮은 전기 전도성을 갖는 저용융점 금속(Zn, Cd, Sn, Pb, Bi) 및 그라파이트인 경우에 매크로 입자의 비율은 특히 높아진다; 이러한 경우 소스에 의해 증발되는 질량은 예를 들면 0.1 및 100 마이크론 사이의 가변적 사이즈를 갖는 매크로 입자에 의해 90%까지 형성된다.
필터링 되어야만 하는 매크로 입자의 이동 속도는 약 102-2*104 cm/s(centimeters per second)이다; 낮은 속도로 이동하는 매크로 입자는 소스와 대향하여 배치되는 기판에 도달하지 못한다. 또한, 음극으로부터 기인하는 매크로 입자의 수는 음극 재료, 아크 전류 및 열적 상태를 포함하는 상이한 팩터들에 의존한다.
기판 상의 매크로 입자 증착을 감소시키고 방전시키기 위해, 전술한 팩터들, 즉, 매크로 입자의 속도, 이의 비율, 음극 재료, 아크 전류, 열적 상태 등을 고려하여 매크로 입자의 플라즈마를 세척하는 것이 필요하다.
필터가 소스와 기판 사이에 인가되는 필터링 시스템이 공지되어 있다. 매크로 입자의 감소에 특히 영향을 주는 것은 마그네틱 필터이다. 이러한 필터는 코일과 함께 제공되는 마그네틱 시스템이 적용되는 비선형 플라즈마 채널을 포함한다. 기본적으로, 코일은 상기 비선형 플라즈마 채널 주위를 감고 굴곡진 채널의 축을 따라 플라즈마를 가이드하는 전자기장을 생성한다; 매크로 입자는 채널의 축 경로를 따르지 않으며 필터의 기 설정된 영역에 수집된다. 환언하면, 매크로 입자는 플라즈마와 다르게 직선으로 이동하기 때문에 필터링될 수 있다.
그러나, 자성 필터는 많은 결점, 즉, 필터를 가로지르는 플라즈마 플로우가 현저하게 감소되는 것과 연관되는 결점을 갖고 이는 기판 상으로의 코팅 증착 속도가 현저하게 저하됨으로써 플랜트(시스템)의 저효율을 야기한다. 예를 들면, 증착 속도는 환상 필터와 비교하여 75% 이상, S자 필터와 비교하여 90% 이상 감소된다.
따라서 자성 필터를 이용할 때에는, 특히 플랜트의 전력을 증가시키는 수단에 의해 생산성(효율) 손실을 보상하는 것이 중요하다. 또한, 전력 강화 플랜트에서 양질의 코팅을 보장하기 위해, 복잡성 및 불가피한 비용의 증가와 함께, 보다 정교한 필터를 제공하는 것이 필요하다.
이상의 개선사항에도, 매크로 입자의 비선형 플라즈마 채널을 세척하는 데에 존재하는 필터의 일정한 유지보수의 필요를 포함하는 다른 결점이 발생한다.
본 발명의 기초를 형성하는 기술적 문제점은 진공 중 물리 기상 증착 동안 매크로 입자를 필터링하기 위해 고안된 방법 및 연관 시스템의 그것이며, 이는 펄스 아크, 펄스 레이저, HIPIMS 등과 함께 독립적으로, 또는 다른 필터링 시스템과 결합하여 이용됨으로써 코팅되는 기판 상의 매크로 입자 증착을 감소시킬 수 있고, 증발 재료의 마이크로 입자 및 이온의 증착 속도가 감소되는 것을 최소한으로 하고, 이미 공지된 필터에 의해 요구되는 유지보수, 비용 및 복잡도를 낮추며, 시스템의 효율을 증가시켜 종래 기술의 필터링 방법 및 시스템에 영향을 주는 모든 제한들을 실질적으로 극복할 수 있다.
본 발명의 기초를 형성하는 아이디어는 소스의 일 지점에서 아크에 의해 생성되는 플라즈마가 소스의 다른 지점에서 생성되는 플라즈마에 존재하는 매크로 입자를 벗어날 수 있도록 하여, 소스 상에서 음극성 아크를 이동시키고, 벗어난 입자가, 기판 상의 응축을 위해, 실질적으로 마이크로 입자, 이온 및 전자만이 진행하는 소스의 반대 방향 및 진공에 배치되어 코팅되는 기판을 향하는 방향으로 지속하는 것을 방지한다.
특히, 전술한 아이디어에 따르면, 소스 상의 음극 아크는 스팟을 생성하고, 소스 표면 상에서의 전파 속도가 제어되어 플라즈마 외부로 매크로 입자를 밀어내고 오직 플라즈마가 코팅될 기판을 향하는 실질적인 직선 방향으로 진행하는 매크로 입자로부터 세척될 수 있도록 한다.
전술한 필터링 방법은 일 지점에서 자체 플라즈마 생성을 이용하여 다른 지점에서 생성되는 플라즈마를 내부에 포함되는 매크로 입자로부터 세척하기 때문에 자가 세척 방식이다. 이러한 자가 세척 방법에서, 플라즈마 내의 마이크로 입자, 이온 및 전자의 자연 척력은 마이크로 입자, 이온 및 전자가 대신 진행할 수 있는, 소스와 기판 사이의 직전 방향으로부터 매크로 입자를 벗어나게 하는 데에 이용된다.
전술한 아이디어에 따르면, 본 발명의 기초에서의 기술적 문제점은, 소스 상의 아크 응용 수단에 의해 고체 소스(음극)로부터 재료를 증발시키는 단계, 증발된 재료의 이온, 마이크로 입자(증기) 및 전자를 포함하는 플라즈마를 상기 마이크로 입자 및 이온보다 큰 사이즈의 매크로 입자와 함께 형성하는 단계를 포함하고, 상기 아크는 지점 P2 에서 증발 수단에 의해 생성되는 재료의 상기 전자, 상기 마이크로 입자 및 상기 이온이 상기 소스를 마주하여 배치되는 코팅 기판(2)을 향하는 경로로부터 벗어나는 속도 Vcs 로 상기 소스 상에서 이동되고, 지점 P1 에서 생성되는 매크로 입자는 상기 아크에 의해 사전에 걸러짐으로써, 상기 매크로 입자에 대한 플라즈마의 자가 세척을 수행하고 상기 기판 상에 세척된 플라즈마의 응축이 가능해지도록 하는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착(PVD: Physical Vapor Deposition)에서 마이크로 입자를 필터링하기 위한 방법(청구항 제1항)에 의해 해결된다.
전술한 자가 세척 동작은 플라즈마의 중성 마이크로 입자, 전자 및 이온의 속도가 매크로 입자에 비해 크기 때문에 가능해진다. 가이드를 거쳐, 이온의 속도는 매크로 입자의 속도보다 약 100배 크고, 전자의 속도는 매크로 입자의 속도보다 약 1000배 크다.
환언하면, 본 발명에 따를 시, 소스 상에서 아크에 의해 생성되는 음극 스팟은 속도 Vcs로 이동되고, 그 속도에서 지점 P2에서 생성되는 중성 입자, 전자 및 이온의 수단에 의해, 음극 스팟에 의해 걸러지는 앞선 지점 P1에서 생성되는 매크로 입자를 반발시킨다; 실제로, 지점 P1에서 생성되는 매크로 입자는 그 다음 지점 P2에서 생성되는 중성 입자, 전자 및 이온보다 낮은 속도를 가지고 P2에서 생성되는 중성 입자, 전자 및 이온에 의해 빠르게 도달되며, 기판을 향하는 직선 경로로부터 이들에 의해 벗어나게 되어 기판에 도달할 수 없게 된다.
본 발명에 따르면, 기판을 마주하여 배치되지 않는 소스 표면 상의 일 지점에서 아크가 종결되며, 여기서 생성된 매크로 입자는 플라즈마가 기판을 향해 진행할 수 있는 직선 경로의 외부에 위치한다.
바람직하게, 소스의 지점에서 생성되는 매크로 입자를 차단하고 기판을 향한 이의 통행을 방지하기 위해, 기계적 실드가 아크가 종결되는 소스의 지점에 인가된다. 이러한 방법에서, 상기 종결 지점에서 자가 세척 동작을 하는 다른 플라즈마를 따르지 못하기 때문에, 아크 종결 지점에서 플라즈마가 자가 세척 방법으로 세척되지 못한다 하더라도, 이 지점에서 매크로 입자가 생성되고 상기 기계적 실드에 의해 차단되어 기판에 도달하지 못하게 된다.
본 출원인은, 아크의 주입 지점 Pi과 소스 상에서 아크의 종결 지점 Pf 사이의 거리 Ract와 아크의 지속시간 t 의 비보다 크거나 같은 속도 Vcs(Vcs>=Ract/t)를 갖는 소스 상의 아크를 이동시킴에 따라, 실제적으로 모든 매크로 입자가 기판에 도달하지 않게 된다는 것을 발견하였다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 소스 상의 아크 이동 속도 Vcs는 아크의 펄스(Imp) 전류(C)의 변화 수단에 의해 조절된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 소스 상의 아크 이동 거리 Ract는 아크 전류(C)의 펄스(Imp) 지속시간의 변화 수단에 의해 조절된다.
바람직한 실시형태에서, 아크는 아크에 의해 생성되는 매크로 입자가 기판에 도달하지 못하는 소스의 표면 영역 상에 배치되는 지점 Pf에서 종결된다. 바람직하게, 아크의 종결 지점 Pf 및/또는 시작 지점 Pi은 기판을 마주하지 않는다. 예를 들면, 종결 지점 Pf 및/또는 상기 시작 지점 Pi은 얼라인 되지 않고 기판을 향하지 않는 소스의 측부 표면에 배치된다.
기판을 향하는 경로로부터 벗어나는 매크로 입자를 기계적으로 차단하는 데에 적용되는 필터링 전극을 이용하고 개구부를 구비하여 세척된 플라즈마가 코팅되는 기판을 향해 통과할 수 있도록 하는 것이 구상된다. 필터링 전극의 개구부는 소스 및 기판 사이의 직선 상에 배치된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 정전기적 타입의 추가적인 필터를 적용하는 것이 구상된다. 구체적으로, 본 출원인은 이온, 전자 및 마이크로 입자와 비교하여 상이한 속도의 매크로 입자를 활용하는 특별히 개선된 정전기적 필터를 구상하였다. 실제로, 마이크로 입자 및 이온에 비해 큰 사이즈를 갖기 때문에 매크로 입자는 플라즈마의 전자, 마이크로 입자 및 이온과 비교하여 지연된 이동을 가지며, 플라즈마 외부에서 양의 전하를 획득한다.
본 출원인은, 매크로 입자 이동의 지연을 고려하여, 기 설정된 지속시간(T)의 펄스를 갖는 소스 상에 아크를 인가하고 소스와 기판 사이에 정전기장(E)을 인가하여, 매크로 입자를 펄스 아크의 펄스(T) 응용 구간(I) 동안 기판으로부터 멀어지도록 이동시킨다.
바람직하게, 펄스 아크의 지속시간 T은 D/Vmp+△t보다 작거나 같고, 여기서 D는 소스와 마주하는 기판 사이의 거리이며, Vmp는 매크로 입자의 속도, △t는 매크로 입자가 양의 전하를 획득하는 동안의 시간이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 정전기장(E)이 U>=(mV2)/2e보다 크거나 같은 포텐셜(U) 차이를 갖는 전극쌍에 의해 생성되고, 여기서, m은 매크로 입자의 질량, V는 기판을 향하는 속도, e는 전기적 전하이다.
구체적으로, 기판은 전극쌍의 정전 양극과 연관되고, 진공 챔버는 이러한 전극쌍의 정전 음극과 연관된다.
일 실시형태에서, 전극쌍의 양극은 이미 전술한 바에 따라 기판을 향하는 경로로부터 벗어나게 되는 매크로 입자를 기계적으로 차단하는 데에 적용되는 필터링 전극으로서도 동작한다.
따라서 본 발명에 따른 방법은 음극 표면으로부터 플라즈마로서 동시에 방출되는 마이크로 입자와 매크로 입자 사이의 속도 차이에 기초한다. 이온은 약 106cm/sec의 속도를 갖고 매크로 입자는 약 102-2×104cm/sec의 속도를 갖는다.
본 방법은 매크로 입자가 마이크로 입자, 이온 및 전자로부터 공간적으로 이격되는, 음극과 기판 사이의 거리를 활용한다. 구체적으로, 그들의 높은 속도 때문에, 이온 및 마이크로 입자는 매크로 입자보다 빠르게 기판을 향해 이동한다. 매크로 입자들 중에서, 첫번째로 사이즈가 작고 빠른 매크로 입자, 그 다음 상대적으로 사이즈가 작고 느린 매크로 입자가 기판을 향해 이동한다.
본 발명에 따르면, 임의의 크기를 갖는 매크로 입자의 자가 세척이 수행되는데, 플라즈마 내의 척력이 기판을 향하는 경로 외부로 매크로 입자들을 반발시키는 데에 이용된다. 정전 필터는 이상의 과정에 의해 충분히 반발되지 못한 매크로 입자의 필터링을 수행할 수 있도록 한다.
본 발명의 추가적인 특징적 구성 및 장점은 비제한적인 예를 통해 첨부되는 도면을 참조하여 이하의 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 필터링 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 2 내지 도 4는 각 실시형태들에 따른 도 1에 도시된 필터링 시스템의 상세를 나타내는 개략도이다.
이하에서, 기판 코팅을 위한 플라즈마를 생성하는 과정 동안, 첨부되는 도면의 참조부호와 함께, 본 발명에 따른 필터링 방법이 설명된다.
플라즈마는 음극 소스(1) 상의 아크의 응용 수단에 의해 생성된다. 예를 들면, 소스(1) 상의 펄스 방전 수단에 의해, 매크로 입자가 이온, 마이크로 입자 및 전자도 포함하는 플라즈마로 방출된다. 메인 방전 펄스 지속시간 동안, 매크로 입자는 음으로 대전되고 이들이 플라즈마 외부에 잔류하는 경우, 나머지 플라즈마와 비교하여 이들의 속도가 낮기 때문에, 양 전하를 소비한다.
대전 변화의 결과, 매크로 입자 및 이온의 온도가 증가하고 자외선 방사로부터의 전자 열이온 방출 및 광전자 방출이 발생한다. 구체적으로, 소스와 기판 사이의 공간에서 양 전하를 갖는 매크로 입자의 과부하가 플라즈마의 부재에서 발생한다; 이는 펄스의 지속시간보다 짧은 시간 구간에, 플라즈마의 이온, 전자 및 마이크로 입자가 이미 공간으로 탈출하여 코팅이 될 기판(2)으로 이동하였기 때문이다. 예를 들어 펄스의 지속시간은 100ms일 수 있고, 펄스의 100ms 시간 구간 동안 이온, 전자 및 마이크로 입자는 이미 매크로 입자를 뛰어넘게 된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 감속 또는 편향 필드라고도 칭하는 전기장이 소스(1)로부터 기판(2)으로 매크로 입자 경로를 따라 인가되고, 이는 정전하를 띄는 매크로 입자를 반발시키거나 이탈시킨다. 구체적으로, 음극(1)(소스)과 기판(2) 사이 공간의 저밀도로 대전된 매크로 입자의 존재 및 플라즈마(이온, 마이크로 입자 및 전자)의 부재 때문에 펄스들 사이의 시간 구간(I)에 (정전기장의 응용 수단에 의해) 정전 분리가 수행될 수 있다.
실제로, 이러한 상태 하에서, 전기장의 플라즈마 스크리닝과 연관된 제한은 존재하지 않는다. 따라서, 예를 들면 큰 메쉬(10-50mm) 그릴을 사용하거나 독립된 전극 수단을 통해 양으로 대전된 매크로 입자의 경로를 따른 정전기장의 지연을 형성하기 위해 전극이 사용될 수 있다.
정전기장을 지연시키는 것은 음극 부식 영역(소스(1))과 기판(2)의 코팅 표면 사이에 배열된 적어도 2개의 전극에 의해 이루어진다. 매크로 입자 또는 정전 양극과 동일한 포텐션을 가지는 하나의 전극은 예를 들면 그에 근접하게 기판의 코팅된 표면과 연관된다. 정전 양극은 기판 자체, 예를 들면, 도 1의 기판(2)으로 구성될 수 있다. 제2 전극 또는 정전 음극은 예를 들면 진공 챔버(3)와 연관될 수 있다.
본 발명에 따르면, 이하의 값을 가지는 전극들 사이의 전기적 포텐셜 인가에 의해, 질량 m 및 전하 e의 입자를 플라즈마(이온, 전자 및 마이크로 입자)의 이동 방향과 반대 방향으로 기판(2)을 향해 밀어내는 것이 가능해진다.
U>=(mV2)/2e
여기서, m은 매크로 입자의 질량, V는 기판을 향한 속도, e는 전기적 전하이다.
상기의 조건(U)이 발생한 매크로 입자는 기판(2)에 도달할 수 없으며 정전기장에 의해 반발된다.
상기의 조건(U)이 발생하기 않은 매크로 입자는 기판(2)에 도달할 수 있게 된다. 그러나, 이러한 매크로 입자는 현저하게 작은 운동 에너지를 가지며 기판(2)에 대한 낮은 접착력을 가질 수 있다. 전술한 바는 고용융점 저항을 갖는 물질, 예를 들면, 카본, 텅스텐 또는 크롬으로 구성되는 물질로 이루어진 음극(1)에서 특별히 발생하며, 고체 단편의 형태이며 액체 마이크로 액적(droplet)의 형태가 아닌 마이크로 입자를 주로 생성한다.
또한, 기판(2) 상에 증착되는 매크로 입자는 기판(2)과 동일한 극성을 가지며 이에 따라 반발된다. 기판(2)의 코팅되는 표면 상의 진공 챔버(3)의 벽으로부터 떨어지는 차가운 중성 매크로 입자는 이에 의해 동일하게 반발된다.
이러한 입자가 상대적으로 작은 사이즈의 매크로 입자보다 낮은 속도를 가짐에도 불구하고, 정전기장 필터링의 효율은 매크로 입자의 크기가 증가하는 것과 비례하여 저하된다. 이러한 효율의 저하는, U>=(mV2)/2e 의 조건 하에서, 상대적으로 큰 사이즈의 매크로 입자의 전하 e와 질량 m의 비가 상대적으로 작은 사이즈의 매크로 입자의 전하 e와 질량 m의 비보다 작기 때문이다; 실제로, 전하는 표면 영역 또는 반경의 제곱에 비례하여 증가하고 질량은 반경의 세제곱에 비례하여 증가한다. 그러나, 큰 매크로 입자는 보다 작은 입자에 비해 낮은 속도를 갖는다.
따라서, 본 발명은 바람직하게도 특히 기 설정된 임계치보다 작은 사이즈를 가지며 높은 속도를 갖는 매크로 입자를 필터링하기 위한 정전기장을 인가하는 것을 구상하였다. 이러한 경우, 기판 상에 플라즈마(이온, 전자, 마이크로 입자)의 증착이 존재하지 않을 때 매크로 입자와 동일한 극성을 갖는 정전 양극에 일정 및/또는 펄스 전압이 인가된다.
전술한 바와 같이, 양극은 기판(2) 자체일 수 있다. 그러나, 정전 양극은 기판(2)과 음극(1) 사이에 배치되며 분리된 구성요소로 구성될 수 있다. 이러한 정전 양극의 분리 배치는 코팅되는 기판이 전도성이 아니어서 기판이 정전 양극으로 기능할 수 없는 경우, 또는 기판(2)에 포텐셜을 인가하는 것을 희망하지 않는 경우에 적절하다. 기판(2)은 정전 양극과 음극(1) 사이에 배치될 수도 있다; 정전 양극의 분리 배치는 비도전성 코팅 시 또는 기판에 포텐셜을 인가하는 것을 희망하지 않는 경우에도 적절하다. 예를 들면, 기판(2)의 전면 및 후면 모두에 양극을 배치하는 것에 의한 다른 구성이 가능하다. 도 2 내지 도 4는 양극(4)에 대해 기판(2)의 상이한 구성을 나타낸다; 음극은 소스(1)와 연관된다.
기 설정된 임계치보다 큰 사이즈를 가지며, 매크로 입자의 전하와 질량의 비가 커서 기판(2)을 향해 낮은 속도를 갖는 매크로 입자, 즉, 전자의 열이온 방출을 생성하기에 불충분하게 뜨거운 매크로 입자에 대해, 양의 포텐셜을 갖는 필터링 전극(5)을 사용하는 것이 인식된다. 필터링 전극(5)(도 2 내지 4)은 기 설정된 각도(x)를 초과하여 음극으로부터 방출되는 입자의 기계적 필터링을 수행한다. 구체적으로, 그의 양의 포텐셜 때문에, 필터링 전극(5)은 정전 필터(4)로서 이용될 수도 있다.
필터링 전극(5)은 특히 크고 차가운 매크로 입자를 차단하는 데에 효과적이며, 실제로, 뜨거운 매크로 입자는 전하의 부호를 변화시키기 위한 시간을 가지며 이에 따라 정전 필터(4)에 의해 효율적으로 지연될 수 있고, 크고 차가운 매크로 입자는 그들의 전하를 역으로 변경하지 않으며 기판(2)을 향해 위험하게 진행할 수도 있다; 이러한 경우, 필터링 전극(5)은 기판(2)을 음으로 대전된 매크로 입자로부터 보호하는 실드를 형성한다.
음극(1)과 양극(4) 간의 방전 파라미터는 바람직하게 이하와 같다.
전류 펄스는 300A보다 크다. 유리하게, 동일한 전류 펄스를 사용하여 플라즈마 빔을 포커싱하기 위한 자기 시스템이 필요하지 않은 물리적 환경이 발생한다.
소스(1) 기판 상의 음극 스팟 이동 속도는 플라즈마를 자가 세척할 수 있도록 선택된다.
이러한 자가 세척 모드는 상대적으로 큰 사이즈 및 낮은 속도의 매크로 입자, 상대적으로 작은 사이즈 및 높은 속도의 매크로 입자 모두에게 영향을 미치고 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마를 필터링 하는 데에 주로 이용된다.
예를 들면, 30mm의 지름을 갖는 카본으로 이루어지며 소스의 중앙에 주입 영역(zone)을 갖는 음극(1)의 경우, 펄스의 지속시간은 0.8과 1.1 밀리세컨즈 사이로 설정된다.
펄스의 최소 지속시간은 부식 영역이 음극(1)의 표면 상에서 이동하는 동안 기판을 향한 가시선 없는 지점에 도달할 때까지의 시각 구간과 동일하다.
펄스 아크의 지속시간(T)은 D/Vmp+△t보다 작거나 갖고, 여기서 D는 소스(1)와 마주하는 기판(2) 사이의 거리이며, Vmp는 매크로 입자의 속도, △t는 매크로 입자가 양의 전하를 획득하는 동안의 시간이다.
기판(예를 들면, 도 2의 L1)의 시계(視界) 외부에 배치된 영역에서, 아크는 음극(1)의 측부 표면(L)(예를 들면, 도 2)의 말단에서 출발할 수 있고, 음극 표면(1) 상에서 끝나야 한다. 말단 표면은 임극의 측부 표면(L1) 또는 매크로 입자의 전파를 차단 및 방지하는 커버링 수단(6)과 연관된 음극(1)의 일단일 수 있다. 커버링 수단은 주입 전자와 연관될 수 있다.
아크가 음극(1)과 기판(2) 사이의 직접적이고 가시적인 라인 상의 일 지점에서 출발한다면, 커패시터(C1)가 제공될 수 있다(도 1). 상기 커패시터는 개별 펄스 방출 상태를 안정화하고 초기 아크 생성 전류를 감소시키는 데에 이용된다.
음극 스팟의 이동 속도는 음극 상의 인덕턴스(7) 수단에 의해 조절된다.
음극 스팟들은 음극(1) 상에서 방전 전류에 의존하는 속도로 서로에 대해 이동한다. 초기 음극 스팟은 빠르게 이동하고, 그 후, 음극(1) 표면을 점유함에 따라 느려진다; 느려지는 것은 음극(1)의 점유된 표면에 비례한다.
예를 들면, 카본 음극(1)의 음극 스팟은 약 100-200ms의 동작 시각 동안 표출되고 점차적으로 소멸된다. 이 시간 구간 동안, 200m/s의 속도를 갖는 매크로 입자는 음극으로부터 2-4cm 떨어진 플라즈마로부터 제거되고 50m/s의 속도를 갖는 매크로 입자는 0.5-1cm에서 제거된다.
본 발명에 따르면, 음극 스팟이 본 출원인이 이하의 고찰 및 분석에 기초하여 결정한 기 설정된 속도를 가질 때 상대적으로 큰 매크로 입자가 플라즈마로부터 제거되기 위한 바람직한 조건이 발생한다.
음극(1)에서의 펄스 방전 지속시간은 각각 플라즈마 플로우(Pli)의 생성과 대응되는 복수의 시간 구간으로의 기본 레벨로 나누어진다. 실제로, 제1 시간 구간("1")에서 제1 플라즈마 플로우(P1)가 생성되고, 제2 시간 구간("2")에서 제2 플라즈마 플로우(P2)가 생성되며, 최후 시간 구간까지 플라즈마 플로우(Pend)가 생성된다.
지점 2에서 생성되며 음극(1) 상의 아크 이동에 의해 생성되는 플라즈마(Pl2)는 플라즈마 플로우(Pl1)가 생성된 진행 지점 1에서 음극(1) 표면으로부터 방출되는 매크로 입자를 밀어내거나 방출하는 효과를 갖는다.
아크의 이동 속도는 매우 중요하다.
실제로, 음극 스팟의 속도가 너무 높으면, 플라즈마(Pl2)가 매크로 입자가 지점 1에서 생성된 플라즈마(Pl1)와 함께 방출되는 지점으로부터 너무 멀리 이동하게 되고 따라서 이러한 매크로 입자를 기판(2)을 향하는 경로 외부로 반발(제거)시키지 못하게 된다.
역으로, 음극 스팟의 속도가 너무 낮으면, 지점 1에서 생성되는 플라즈마 플로우(Pl1)가 지점 2에서 플라즈마(Pl2)와 함께 생성되는 매크로 입자를 기판(2)을 향해 반발시키게 된다.
본 출원인은 매크로 입자의 플라즈마를 세척하기 위해 이상적인 소스(1) 상의 아크 이동 속도(Vcs)가 소스 상에서 아크의 주입 지점(Pi)과 아크의 종단 지점(Pf) 사이의 거리(Ract)와 아크의 지속시간(t) 간의 비보다 크거나 동일하다고 판단하였다(Vcs>=Ract/t).
지점 P2 에서 증발하는 재료의 전자, 마이크로 입자 및 이온이 소스(1)를 마주하여 코팅되는 기판(2)을 향하는 경로로부터 벗어나고, 지점 P1 에서 형성되는 매크로 입자는 아크에 의해 사전에 걸러지기 때문에 소스 상에서 속도 Vcs (표면 속도) 로 이동하는 아크는 플라즈마의 자가 세척을 수행하게 된다.
유리하게, 종래 기술에 의한 인식과는 상이하게, 기판을 향한 세척된 플라즈마의 플로우 속도를 낮추는 필터가 없기 때문에, 기판(2) 상의 마이크로 입자 및 이온의 증착은 실질적으로 매크로 입자 없이 이루어지며 높은 생산성을 갖게 된다.
상이한 재료가 소스(1)에 사용되는 경우, 특히 DLC 코팅을 위해 증착되는 이온의 에너지를 조절하는 것은 중요하다. 상기 조절의 결과 단계 sp2 및 sp3 사이의 비가 제어될 수 있으며 이에 따라 넓은 범위의 코팅이 획득된다. 이온의 최대 에너지는 음극과 양극 사이의 전압에 의해 결정되며 바람직하게는 100과 500 Volt 사이이다.
플라즈마 빔(플로우)에서의 이온 에너지는 동일하지 않다. 빔은 앞에서는 고에너지 이온을 따라, 빔의 꼬리에서는 저에너지 이온을 따라 전자를 이동시킨다; 후자는 코팅의 질을 감소시킬 수도 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기 설정된 임계치 이하의 에너지를 갖는 이온은 필터링될 수도 있다. 이러한 필터링 동작에서, 특정 전류 값은 정전 필터에서 설정된다; 특히, 전류는 정전 필터의 영향 하에 있는 이온의 비율이 증가함에 따라 증가한다.
마지막으로, 이온의 전류를 초과하는 정전 필터의 전류 값을 설정함에 의해, 플라즈마의 이온 구성이 완전히 차단되고 플라즈마 전자 수단에 의한 기판 세척이 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 구현하기 위한 필터링 시스템의 구조적 및 전기적 구성요소는 도 1을 참조하여 이하에서 설명된다.
본 시스템은 진공 챔버(3)를 포함한다. 소스 또는 음극(1) 및 양극(4)은 서로에 대해 축 방향으로 배치된다; 예를 들면, 양극(4)은 리브드(ribbed) 양극이고 음극(1)과 코팅된 기판(2) 사이에 배치된다; 이와 다르게, 예를 들면 전력 공급 블록 수단에 의해 양극을 갖는 정전 포텐셜(펄스 또는 DC)이 코팅된 기판(2)에 공급되고, 이는 정전 양극으로서 기능할 수도 있다. 아크 방전 양극(4)은 정전 양극에 대응되지 않고 이에 전기적으로 연결되지 않는다. 음의 포텐셜을 갖는 정전 포텐셜은 예를 들면 챔버(3)에 연결된다.
음극(1)의 부식 영역(9)은 코팅된 기판(3)의 반대측에 배치된다; 상기 기판(2)은 예를 들면 회전하는 또는 고정된 캐러셀(carousel)에 장착될 수 있다. 본 시스템은 조절 가능한 인덕턴스(7)를 포함하는 방전 회로를 포함한다.
주입 시스템(10)은 음극(1) 표면에 아크를 점화시킨다. 방전은 양극(4)과 정전 음극(3) 사이에서, 플라즈마가 기판(2)을 향해 빠르게 이동하는 동안의 시간 구간(t)에 발생한다. 성공적인 방전들 사이의 시간 구간에서, 정전 양극 및 음극은 플라즈마의 매크로 입자를 지연 또는 제거하는 데에 적용되는 장(field)을 생성하기 위해 이용된다.
플라즈마 이온 및 마이크로 입자는 정상 상태, 즉, 정전기장이 이들에 대해 어떠한 영향력도 갖지 않는 상태 하에서 기판 상에 증착된다. 매크로 입자는 이온보다 더 느리게 이동하고 특히 최초의 작고 빠른 입자는 느리고 무거운 입자를 따라 이동한다.
펄스 방전 시간 동안, 임극 스팟의 속도는 가속기 수단에 의해 조절되어 음극(1)의 부식이 자가 세척 방식, 즉, 일 지점에서 생성된 매크로 입자를 다른 지점에서 생성된 플라즈마를 거쳐 기판 경로의 외부로 방출시키는 방식에 의해 수행된다. 구체적으로, 부식 영역은 기판의 가시 필드 외부에 배치된 음극 표면을 종결시킨다.
이후, 이러한 프로세스가 반복된다.
바람직하게는, 매크로 입자의 기계적 필터링을 위한 양의 포텐셜을 갖는 필터링 전극(5)이 양극(4)의 출력단에 제공된다.
정전 양극(4)은 정전 음극보다 작은 최소 40볼트의 양의 포텐셜에 연결된다.

Claims (18)

  1. 소스 상의 아크 응용 수단에 의해 고체 소스(1)로부터 재료를 증발시키는 단계, 증발된 재료의 이온, 마이크로 입자(증기) 및 전자를 포함하는 플라즈마를 상기 마이크로 입자 및 이온보다 큰 사이즈의 매크로 입자와 함께 형성하는 단계를 포함하는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착(PVD: Physical Vapor Deposition)에서 매크로 입자를 필터링하는 방법으로서,
    상기 아크는 지점 P2 에서 증발되는 재료의 상기 전자, 상기 마이크로 입자 및 상기 이온이 상기 소스를 마주하여 코팅되는 기판(2)을 향하는 경로로부터 벗어나는 속도 Vcs (표면 속도) 로 상기 소스 상에서 이동되고, 지점 P1 에서 형성되는 매크로 입자는 상기 아크에 의해 사전에 걸러짐으로써, 상기 매크로 입자의 플라즈마에 대한 자가 세척이 가능해지고 상기 기판 상에 오직 세척된 플라즈마만이 응축될 수 있는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착에서 매크로 입자를 필터링하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소스 상에서 상기 아크의 이동 속도 Vcs는 상기 아크의 주입 지점 Pi과 상기 소스 상에서의 아크의 종단 지점 Pf 간의 거리(Ract)와 상기 아크의 지속시간(t)의 비율보다 크거나 같은 것(Vcs>=Ract/t)을 특징으로 하는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착에서 매크로 입자를 필터링하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소스 상에서 상기 아크의 이동 속도 Vcs는 상기 아크의 펄스(Imp) 전류(C)의 변화 수단에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착에서 매크로 입자를 필터링하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소스 상에서 상기 아크의 이동 거리(Ract)는 상기 아크 전류(C)의 펄스(Imp) 지속시간의 변화 수단에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착에서 매크로 입자를 필터링하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 아크에 의해 생성되는 상기 매크로 입자가 상기 기판에 도달할 수 없는 상기 소스의 표면 영역 상에 배치되는 지점 Pf 에서 상기 아크가 종결되는 것을 특징으로 하는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착에서 매크로 입자를 필터링하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 종결 지점 Pf 및/또는 시작 지점 Pi 은 상기 기판을 마주하지 않는 것을 특징으로 하는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착에서 매크로 입자를 필터링하는 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 종결 지점 Pf 및/또는 시작 지점 Pi 은 상기 소스의 측부 표면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착에서 매크로 입자를 필터링하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 경로로부터 벗어나는 상기 매크로 입자를 기계적으로 차단하는 데에 적용되는 필터링 전극을 포함하고, 상기 필터링 전극은 상기 세척된 플라즈마가 코팅된 상기 기판을 향해 통과하는 개구부를 갖는 것을 특징으로 하는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착에서 매크로 입자를 필터링하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상대적으로 큰 사이즈 때문에 상기 매크로 입자는 상기 플라즈마의 상기 전자, 마이크로 입자 및 이온에 대해 지연된 이동을 갖고 상기 플라즈마 외에서 양의 전하를 획득하며,
    - 기 설정된 지속시간(T)의 펄스를 갖는 아크를 인가하는 단계, 및
    - 펄스 아크의 상기 펄스(T) 응용의 구간(I) 동안 상기 기판으로부터 상기 매크로 입자를 이동시키는 상기 기판(2)과 상기 소스(1) 사이에 전정기장(E)을 인가하는 단계에 의해 특징지어지는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착에서 매크로 입자를 필터링하는 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 펄스 아크의 지속시간(T)은 D/Vmp+△t보다 작거나 동일하며,
    여기서 D는 상기 소스(1)와 마주하는 기판(2) 사이의 거리이고, Vmp는 상기 매크로 입자의 속도이며, △t는 상기 매크로 입자가 양 전하를 획득하는 시간 구간인 것을 특징으로 하는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착에서 매크로 입자를 필터링하는 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 정전기장(E)은 U>=(mV2)/2e보다 크거나 동일한 포텐셜(U) 차이를 갖는 전극 쌍에 의해 생성되고,
    여기서 m는 매크로 입자의 질량이고, V는 상기 기판을 향하는 속도이며, e는 전기적 전하인 것을 특징으로 하는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착에서 매크로 입자를 필터링하는 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 기판(2)은 상기 전극 쌍의 정전 양극(4)과 연관되고 진공 챔버(3)는 상기 전극 쌍의 정전 음극과 연관되는 것을 특징으로 하는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착에서 매크로 입자를 필터링하는 방법.
  13. 제6항 및 제9항에 있어서,
    상기 전극 쌍의 양극(4)은 상기 필터링 전극(5)인 것을 특징으로 하는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착에서 매크로 입자를 필터링하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아크는 300A보다 큰 전류를 갖는 펄스를 갖는 것을 특징으로 하는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착에서 매크로 입자를 필터링하는 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양극(4)은 리브드(ribbed)된 것을 특징으로 하는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착에서 매크로 입자를 필터링하는 방법.
  16. 소스로부터 재료를 증발시키기 위해 고체 소스(1) 상에 아크를 인가하고, 증발된 재료의 전자, 마이크로 입자(증기) 및 이온을 포함하는 플라즈마를 상기 마이크로 입자 및 이온보다 큰 사이즈의 매크로 입자와 함께 형성하기 위한 수단을 포함하는 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착(PVD: Physical Vapor Deposition)에서 매크로 입자를 필터링하는 시스템으로서,
    지점 P2 에서 증발되는 재료의 상기 전자, 상기 마이크로 입자 및 상기 이온이 상기 소스를 마주하여 코팅되는 기판(2)을 향하는 경로로부터 벗어나는 속도 Vcs (표면 속도) 로 상기 아크를 이동시키고, 지점 P1 에서 형성되는 매크로 입자는 상기 아크에 의해 사전에 걸러짐으로써, 상기 매크로 입자의 플라즈마에 대한 자가 세척이 가능해지고 상기 기판 상에 오직 세척된 플라즈마만이 응축될 수 있도록 하는 수단을 포함하는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착에서 매크로 입자를 필터링하는 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    기 설정된 지속시간(T)의 펄스를 갖는 아크의 응용을 제어하는 수단, 및 펄스 아크가 인가되는 지속시간(T) 응용의 구간(I) 동안 상기 기판으로부터 상기 매크로 입자를 이동시키기 위해 상기 소스(1)와 기판(2) 사이에 정전기장(E)을 인가하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착에서 매크로 입자를 필터링하는 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제어 수단은 D/Vmp+△t보다 작거나 같은 펄스 아크의 지속시간(T)을 설정하고,
    여기서 D는 상기 소스(1)와 마주하는 기판(2) 사이의 거리이고, Vmp는 상기 매크로 입자의 속도이며, △t는 상기 매크로 입자가 양 전하를 획득하는 시간 구간인 것을 특징으로 하는, 진공 중 음극 아크 물리 기상 증착에서 매크로 입자를 필터링하는 시스템.

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