KR20080074311A - 전기적 이동 자계를 이용한 사각 캐소딕 아크 소스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기적 이동 자계를 이용한 사각 캐소딕 아크 소스에 관한 것으로, 타겟부와, 상기 타겟부와 비접촉하여 상기 타겟부의 측면을 둘러싸고 있는 전극부와, 상기 타겟부의 하면에 설치되어 자장을 형성하는 마그네트부와, 상기 마그네트부의 측면 및 하면을 둘러싸고 있는 캐소드 몸체부로 구성된 이온플레이팅에 사용되는 사각 캐소딕 아크 소스에 있어서, 상기 마그네트부는 상기 타겟부의 긴 변을 따라 일렬로 배열되는 복수 개의 전자석을 포함하고, 각 전자석에는 시간에 따라 전류를 조절할 수 있는 전원 장치가 연결되는 것을 그 특징으로 한다.

이러한 본 발명은 대면적 캐소딕 아크 소스에 있어서 타겟 이용률을 증대시킬 수 있고, 코팅의 균일성을 확보할 수 있으며, 종래의 캐소딕 아크 소스에 비해서 고자장 모드로 동작이 가능하므로 조대 입자를 효과적으로 감소시킬 수 있는 효과를 제공한다.

캐소딕 아크, PVD 코팅, 이온 플레이팅

Description

전기적 이동 자계를 이용한 사각 캐소딕 아크 소스 {Rectangular Cathodic Arc Source using Electrically Moving Magnetic Field}

도 1은 본 발명에 의한 사각 캐소딕 아크 소스의 종단면도,

도 2는 본 발명에 의한 사각 캐소딕 아크 소스의 마그네트부를 설명하기 위한 사각 캐소딕 아크 소스의 횡단면도,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캐소딕 아크의 거동을 나타낸 평면도,

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각 코일의 전류 변화를 나타낸 그래프,

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캐소딕 아크의 자장 변화를 나타낸 상기 사각 캐소딕 아크 소스의 종단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 타겟부 12 : 타겟 지지대

13 : 전극부 14 : 마그네트부

15 : 전자석 16 : 캐소드 몸체부

17 : 막 18 : 막 지지대

본 발명은 이온플레이팅 코팅에 이용되는 사각 캐소딕 아크 소스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기적으로 이동 자계를 형성하여 타겟 이용률을 증대시키고, 코팅 균일성을 향상시키며 캐소딕 아크 소스의 가장 큰 문제점 중 하나인 조대 입자(Macro Particle)를 감소시키기 위한 사각 캐소딕 아크 소스에 관한 것이다.

이온플레이팅에 사용되는 플라즈마 발생원(Source)은 마그네트론 스퍼터, HCD(Hollow Cathode Discharge), 애노딕 아크(Anodic Arc)와 캐소딕 아크(Cathodic Arc)가 주로 사용된다. 이들 중 이온화율이 가장 높으며 구조가 간단한 캐소딕 아크가 이온플레이팅 코팅에 가장 많이 사용되고 있다.

캐소딕 아크 소스의 형태는 주로 원형과 사각 두 형태가 사용된다. 일반적으로 원형 소스는 약 250mm 정도 마다 1개씩 설치되어야 하므로 예를 들어 피코팅재의 길이가 1m 인 경우 4개의 소스를 설치해야 하며 각 소스에는 별도의 전원이 필요하다. 반면에 사각 소스는 피코팅재의 길이와 관계 없이 1개의 소스로 처리가 가능하며 전원 또한 1대만 필요하다. 특히 사각 소스의 경우 원형 소스에 비해 동작전류가 높으므로 아크가 꺼지는 현상이 줄어드는 장점이 있다. 하지만 종래의 사각 아크 소스의 경우 타겟 이용률을 증가시키기 위해서는 약 10gauss 정도의 낮은 자장에서 무작위(random) 아크 모드로 동작시켜야 하므로 아크의 회전 속도가 느려 조대 입자가 많이 발생하는 단점이 있다.

이온플레이팅에 사용되는 사각 캐소딕 아크 소스는 타겟 이용률 증대, 코팅 균일성 향상, 조대 입자의 감소라는 3가지 특성이 요구된다. 타겟 이용률이 향상되면 운영비 및 타겟 교체 비용을 절감할 수 있고, 코팅 균일성 향상은 생산 제품의 품질 및 코팅 가능 영역을 확대하여 생산성의 향상과 직결된다. 또한 조대 입자는 막질과 관계되며 코팅 품질을 결정하는 가장 중요한 요소이다.

그러나 이들 특성은 상호간에 절충되는 것으로서 동시에 세 가지 특성을 모두 만족시키기란 매우 어렵다. 예를 들어, 조대 입자의 발생은 자장이 커지면 감소하는데, 그 이유는 자장이 강할수록 아크의 움직임이 빨라져 타겟의 한 점에 아크가 머무르는 시간이 단축되기 때문이다. 그러나, 조대 입자의 감소를 위해 자장을 강하게 만들면 아크는 타겟 위의 매우 좁은 폭의 트랙을 따라서만 이동하기 때문에 국부적으로만 타겟이 소모하여 결과적으로 타겟 이용률을 저하시키게 된다.

이를 해결하기 위한 종래 방안의 하나로서 비록 사각 형태는 아니지만 원형 캐소딕 아크 소스에 대해 기계적으로 영구자석을 설치하여 이를 회전시킴으로서 이들 3가지 특성을 향상시킨 것이 있다. 그러나 이와 같은 캐소딕 아크 소스의 경우, 모터 구동축에 편심된 자석 뭉치를 이용함으로서 사각 형태에는 적용하기 힘들고 발생하는 자장의 크기를 조절할 수 없다는 단점이 있다.

현재 조대 입자의 감소와 관련하여 가장 활발히 연구되고 있는 분야는 여과 아크(Filtered Arc)로서 여러 가지 장치 및 방법이 제안되고 있다. 여과 아크의 기 본 원리는 캐소딕 아크 소스에서 발생하는 조대 입자를 플라즈마와 분리하기 위해 90도 또는 그 이상 휘어진 자장을 캐소딕 아크 소스 앞에 형성하면 플라즈마는 자장을 따라 휘어지지만 조대 입자는 튀어나오는 운동 방향 그대로 움직이는 특성을 이용하는 것이다. 상기와 같은 여과 아크의 경우 조대 입자 문제 해결에 있어서는 가장 좋은 방법으로 알려져 있지만, 수백 암페아의 전류를 흘릴 수 있는 코일과 전원장치, 플라즈마의 90도 회전에 필요한 공간 및 덕트 등 많은 부가 장치를 필요로 하므로 제한된 용도 이외에는 아직 상용화되고 있지 않다. 또한, 여과를 위한 자장은 캐소딕 아크 방전에 영향을 주므로 설계 시 매우 주의해야 할 필요가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 사각 캐소딕 아크 소스의 단점을 보완하기 위하여, 전기적으로 이동할 수 있는 자계를 형성하여 아크가 타겟 표면을 이동하도록 하여 타겟 이용률을 증대시키고, 코팅 균일성을 향상시키며 조대 입자를 감소시키기 위한 사각 캐소딕 아크 소스를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 타겟부와, 상기 타겟부와 비접촉하여 상기 타겟부의 측면을 둘러싸고 있는 전극부와, 상기 타겟부의 하면에 설치되어 자장을 형성하는 마그네트부와, 상기 마그네트부의 측면 및 하면을 둘러싸고 있는 캐소드 몸체부로 구성된 이온플레이팅에 사용되는 사각 캐소딕 아크 소스 에 있어서, 상기 마그네트부는 상기 타겟부의 긴 변을 따라 일렬로 배열되는 복수 개의 전자석을 포함하고, 각 전자석에는 시간에 따라 전류를 조절할 수 있는 전원 장치가 연결되는 것을 특징으로 하는 전기적 이동 자계를 이용한 사각 캐소딕 아크 소스를 개시한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 전기적 이동 자계를 이용한 사각 캐소딕 아크 소스에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 전기적 이동 자계를 이용한 사각 캐소딕 아크 소스를 설명하기 위해 나타낸 상기 캐소딕 아크 소스의 종단면도이고, 도 2는 본 발명에 의한 사각 캐소딕 아크 소스의 마그네트부를 설명하기 위한 사각 캐소딕 아크 소스의 횡단면도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캐소딕 아크의 거동을 나타낸 평면도이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각 코일의 전류 변화를 나타낸 그래프이며, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 캐소딕 아크의 자장 변화를 나타낸 상기 캐소딕 아크 소스의 종단면도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기적 이동 자계를 이용한 사각 캐소딕 아크 소스는 도 1에 도시된 바와 같이, 타겟부(11), 전극부(13), 마그네트부(14), 캐소드 몸체부(16)로 구성된다

타겟부(11)는 상면이 노출되어 타겟 지지대(12)에 의하여 고정된다. 상기 타겟부(11)의 측면에는 타겟부(11)와 비접촉하여 둘러싸도록 전극부(13)가 위치하며, 상기 타겟부(11)의 하면에는 타겟부(11)의 상면에 자장을 형성할 수 있도록 마그네 트부(14)가 위치하고, 상기 마그네트부(14)의 측면 및 하면을 둘러싸도록 캐소드 몸체부(16)가 설치된다. 도 1에서는 또한 상기 타겟부(11)와 마그네트부(14)의 사이에 타겟부(11)의 냉각을 위한 냉각수가 진공챔버와 직접 접촉하지 않도록 막아주는 막(17) 및 이를 고정시키는 막 지지대(18)를 도시하고 있다. 상기 막(17)의 재질은 열전도율이 좋은 금속으로서 바람직하게는 구리재질로 된 것이 적합하며, 그 두께는 1mm정도인 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명에 의한 사각 캐소딕 아크 소스의 마그네트부(14)를 설명하기 위한 사각 캐소딕 아크 소스의 횡단면도를 나타낸다. 상기 마그네트부(14)는 복수 개의 전자석(15)으로 구성되며, 각 전자석(15)에는 시간에 따라 전류를 조절할 수 있는 전원 장치(미도시)가 연결된다.

그리고, 상기 전자석(15)은 코일의 형태로서 각각의 코일의 구체적인 형상은 도 2에 도시된 바와 같다. 각 전자석(15)은 상기 마그네트부(14)상기 타겟부(11)의 긴 변과 평행하도록 마그네트부(14)의 내부에 일렬로 배열되며, 각 전자석에는 동일한 방향으로 자계가 형성되도록 전류가 인가된다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기적 이동 자계를 이용한 사각 캐소딕 아크 소스의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도 1 및 도 2에서는 일례로서 다섯 개의 전자석(15)이 배열된 마그네트부(14)를 도시하였으나 실제 본 발명의 실시에 있어서는 피코팅재의 길이에 따라 필요한 수 만큼 전자석(15)을 배열할 수 있다.

도 1과 같이 구성된 캐소딕 아크 소스의 전자석(15)에 각각 도 4와 같이 전류를 인가하면, 각 시간(a~g)에 도 5와 같은 자장이 형성된다.

a 시점에는 전자석(15) A와 B 사이에 최대 자장이 형성되고(도 5a) 이 부분을 중심으로 도 3과 같이 캐소딕 아크가 회전한다. b 시점이 되면 전자석(15) B를 중심으로 최대 자장이 형성되고(도 5b) 전자석(15) B를 중심으로 캐소딕 아크가 회전한다. 이와 같이 각 전자석(15)의 전류가 도 4와 같이 변하면 중심 자장의 위치가 이동하고 이에 따라 캐소딕 아크는 도 3과 같이 타겟부(11)의 긴 변과 평행한 방향으로 좌우로 이동하게 된다.

타겟의 이용률과 코팅의 균일성은 a~b 시점과 g~f 시점에서 전류의 상승과 하강 곡선의 형태를 바꾸어 아크가 타겟부(11)의 양쪽 끝 부분에 머무는 시간을 각각 조절함으로서 향상시킬 수 있다.

구체적으로, 아크가 타겟부(11)의 양쪽 끝 부분에 머무는 시간이 너무 길어지면 다른 부분에 비해 이 부분의 타겟 소모율이 커지므로 이 경우에는 시간 조정을 통하여 아크가 이 부분에 머무는 시간을 줄여 전체적으로 타겟부(11)가 균일하게 소모되도록 할 수 있다. 또한 피코팅재의 양쪽 끝 부분은 다른 부분에 비해 코팅막의 두께가 상대적으로 얇으므로 이 경우에는 아크가 타겟부(11)의 양쪽 끝 부분에 머무는 시간을 늘려 코팅의 균일성을 향상시킬 수 있다. 아크가 타겟부(11)의 양쪽 끝 부분에 머무는 시간을 조절하기 위해서는 이 두 가지 측면을 모두 고려하여야 하며 타겟 물질의 종류 및 각 공정의 조건에 따라 적절하게 아크가 머무는 시간을 조절하여야 한다.

한편, 코팅이 진행됨에 따라 타겟부(11)가 소모되어 타겟부(11)의 두께가 얇아지면 표면의 자장이 증가하게 되는 데, 이 경우에는 전자석(15)에 흐르는 전류의 양을 감소시킴으로서 코팅률을 일정하게 유지할 수 있다.

조대 입자의 발생은 타겟부(11) 상면에서의 최대 자장이 50gauss 이상이 되도록 함으로서 억제할 수 있다. 종래의 캐소딕 아크 소스에서는 자장이 강해지면 타겟을 국부적으로만 소모함으로서 타겟의 이용률이 감소하는 단점이 있었으나, 도 2에 도시된 전기적 이동 자계를 이용한 사각 캐소딕 아크 소스의 경우에는 자장을 이동하여 아크를 좌우로 이동시키므로 국부적인 타겟 소모를 막고 사각 타겟 전체를 소모하게 됨으로서 최대 자장이 50gauss 이상이 되더라도 타겟 이용률을 저하시키지 않고 조대 입자의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예에 국한되는 것은 아니며 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시될 수 있다. 따라서 본 발명은 이러한 실시예에 의하여만 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 아니하는 범위 내에서 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 전기적 이동 자계를 이용한 사각 캐소딕 아크 소스에 의하면, 대면적 캐소딕 아크 소스에 있어서 타겟 이용률을 증대시킬 수 있고, 코팅의 균일성을 확보할 수 있으며, 종래의 캐소딕 아크 소스에 비해서 고자장 모드로 동작이 가능하므로 조대 입자를 효과적으로 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 아크를 타겟 위에서 거동시키는데 기계적 동작부가 필요치 않으므로 캐소딕 아크의 거동 조절이 용이하고 다양한 타겟 물질에 따라 그에 적합한 자장을 용이하게 형성할 수 있으며, 타겟이 소모됨에 따라 타겟의 두께가 줄어들어 표면의 자장이 증가하면 코일 전류를 감소시켜 코팅률을 일정하게 유지할 수 있다.

Claims (6)

1. 타겟부와, 상기 타겟부와 비접촉하여 상기 타겟부의 측면을 둘러싸고 있는 전극부와, 상기 타겟부의 하면에 설치되어 자장을 형성하는 마그네트부와, 상기 마그네트부의 측면 및 하면을 둘러싸고 있는 캐소드 몸체부로 구성된 이온플레이팅에 사용되는 사각 캐소딕 아크 소스에 있어서,

   상기 마그네트부는 상기 타겟부의 긴 변을 따라 일렬로 배열되는 복수 개의 전자석을 포함하고, 각 전자석에는 시간에 따라 전류를 조절할 수 있는 전원 장치가 연결되는 것을 특징으로 하는 전기적 이동 자계를 이용한 사각 캐소딕 아크 소스.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전자석은 원통형으로 감은 코일로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기적 이동 자계를 이용한 사각 캐소딕 아크 소스.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 코일은 상기 마그네트부의 내부에 위치하는 부분은 상기 타겟부의 짧은 변과 평행하도록 직선으로 이루어지고, 상기 마그네트부의 외부에 위치하는 부분은 곡선으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기적 이동 자계를 이용한 사각 캐소딕 아크 소스.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 전자석은 각각 동일한 방향으로 자계가 형성되도록 전류가 인가되는 것을 특징으로 하는 전기적 이동 자계를 이용한 사각 캐소딕 아크 소스.
5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전원 장치는 상기 타겟부 상면에서의 최대 자장이 50gauss 이상이 되도록 상기 마그네트부에 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 전기적 이동 자계를 이용한 사각 캐소딕 아크 소스.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 전원 장치는 상기 타겟부 상면에서의 최대 자장이 50gauss 이상이 되도록 상기 마그네트부에 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 전기적 이동 자계를 이용한 사각 캐소딕 아크 소스.

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