KR102509946B1 - Arc ion deposition apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 아크이온 증착장치에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 진공챔버 내에 공정가스를 균일하게 분포시킬 수 있는 아크이온 증착장치에 대한 것이다.The present invention relates to an arc ion deposition apparatus, and more particularly, to an arc ion deposition apparatus capable of uniformly distributing a process gas in a vacuum chamber.
물리기상 증착(PVD)은 진공 또는 특정기체 분위기에서 코팅시키고자 하는 물질을 기화 또는 승화시켜서 원자 또는 분자 단위로 물체의 표면에 응고되도록 함으로써 피막을 형성시키는 방법이다.Physical vapor deposition (PVD) is a method of forming a film by vaporizing or sublimating a material to be coated in a vacuum or a specific gas atmosphere so that it solidifies on the surface of an object in atomic or molecular units.
물리기상 증착은 크게 진공 증착, 스퍼터링, 이온 플레이팅이 있으며, 금속 피막을 제조할 경우 특수한 경우를 제외하고는 진공 증착이 많이 이용되고 있다. 그리고 진공 증착은 증발 공정에 사용되는 대표적인 열 증발원으로 저항가열 증발원, 전자빔 증발원, 유도가열 증발원이 있다.Physical vapor deposition includes vacuum deposition, sputtering, and ion plating, and vacuum deposition is widely used in manufacturing metal films except for special cases. In addition, vacuum deposition is a representative thermal evaporation source used in the evaporation process, and includes a resistance heating evaporation source, an electron beam evaporation source, and an induction heating evaporation source.
아크이온 증착장치는 챔버 내부를 진공 상태로 만들고, 진공챔버 내부에 공정가스를 공급한 후 아크 방전을 생성하여 타겟으로부터 방출되는 물질을 피증착물의 표면에 증착 시킨다. 타켓으로부터 방출된 금속 원자들이 공정가스와 반응하여 피증착물의 표면에 증착되므로, 공급되는 공정가스의 종류에 따라 증착되는 색상 등이 달라진다.The arc ion deposition apparatus creates a vacuum inside the chamber, supplies a process gas to the inside of the vacuum chamber, and then generates an arc discharge to deposit the material emitted from the target on the surface of the deposited object. Since the metal atoms emitted from the target react with the process gas and are deposited on the surface of the deposited material, the color of the deposited material varies depending on the type of process gas supplied.
아크이온 증착장치는 타겟부재에서 방출되는 금속 원자들이 공정가스와 반응하여 피증착물의 표면에 질화물, 탄화물, 질화탄화물 등의 형태로 증착된다. 그래서 공급되는 공정가스의 종류에 따라 피증착물의 표면에 증착되는 색상이 달라진다. 진공챔버의 내부에는 복수의 종류의 공정가스가 공급된다. 종래에는 각각의 공정가스가 진공챔버의 내부로 가스 공급 노즐을 통하여 공급된 후 진공챔버 내부에서 혼합되었다..In the arc ion deposition apparatus, metal atoms emitted from a target member react with process gas to deposit on the surface of an object to be deposited in the form of nitride, carbide, or nitride carbide. Therefore, the color deposited on the surface of the deposited material varies according to the type of process gas supplied. A plurality of types of process gases are supplied into the vacuum chamber. Conventionally, each process gas was supplied to the inside of the vacuum chamber through a gas supply nozzle and then mixed inside the vacuum chamber.
이 경우 진공챔버 내부에서 공정가스가 균일하게 혼합되지 아니할 뿐만 아니라 균일하게 분포되기도 힘들었다. 그래서 증착 색상을 원하는 대로 조절하기 어려울 뿐만 아니라 증착이 균일하게 되지 않는다는 문제점이 있었다.In this case, the process gas was not uniformly mixed inside the vacuum chamber, and it was difficult to evenly distribute it. Therefore, it is difficult to adjust the deposition color as desired, and there is a problem that the deposition is not uniform.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명은 진공챔버 내부에 균일하게 혼합된 공정가스를 균일하게 분포시킬 수 있는 아크이온 증착장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the above problems. An object of the present invention is to provide an arc ion deposition apparatus capable of uniformly distributing a uniformly mixed process gas inside a vacuum chamber.
본 발명에 따른 아크이온 증착장치는 진공챔버와, 원통형 타겟부재와, 트리거와, 가스공급수단과, 가스분사수단과, 스팟차단부 및 제어부를 포함한다. 상기 진공챔버는 내부를 진공으로 만들기 위하여 배기구를 구비한다. 상기 타겟부재는 상기 진공챔버의 중심부에서 상하로 배치되어 전원을 공급받아 타겟 물질을 방출한다. 상기 트리거는 상기 타겟부재에 아크 스팟을 생성시킨다. 상기 가스공급수단은 상기 진공챔버 내에서 플라즈마를 생성하기 위하여 각각의 공정가스를 각각 공급하기 위한 복수의 공급가스부와, 상기 공급가스부에서 공급되는 각각의 공정가스를 혼합하기 위한 가스혼합부를 구비하여 상기 가스혼합부에서 혼합된 공정가스를 진공챔버로 공급한다. 상기 가스분사수단은 상기 가스공급수단으로부터 상기 공정가스를 공급받아서 상기 진공챔버로 분사시킨다. 상기 스팟차단부는 상기 타겟부재의 상부와 하부에 각각 장착되어 상기 아크 스팟의 이동범위를 제한한다. 상기 제어부는 상기 타겟부재에 공급되는 전원을 제어한다.An arc ion deposition apparatus according to the present invention includes a vacuum chamber, a cylindrical target member, a trigger, a gas supply means, a gas injection means, a spot blocking unit, and a control unit. The vacuum chamber has an exhaust port to vacuum the inside. The target member is disposed up and down in the center of the vacuum chamber to receive power and release the target material. The trigger creates an arc spot on the target member. The gas supply means includes a plurality of supply gas units for supplying respective process gases to generate plasma in the vacuum chamber, and a gas mixing unit for mixing each process gas supplied from the supply gas unit. Then, the process gas mixed in the gas mixing unit is supplied to the vacuum chamber. The gas dispensing unit receives the process gas from the gas supply unit and injects the process gas into the vacuum chamber. The spot blocking part is mounted on the upper and lower portions of the target member, respectively, to limit the moving range of the arc spot. The controller controls power supplied to the target member.
또한, 상기의 아크이온 증착장치에 있어서, 상기 가스분사수단은 일단에서 상기 가스공급수단으로부터 상기 공정가스를 공급받아서 상기 진공챔버로 분사시킬 수 있도록 길이방향을 따라 복수개의 제1분사공이 형성되어 상기 타겟부재에서 반경방향으로 일정간격 이격되게 상기 진공챔버에서 상하로 배치된 제1배출관과, 상기 제1분사공에서 분사된 상기 공정가스를 수용할 수 있게 상기 제1배출관과 일정 간격 이격 공간이 형성되도록 상기 제1배출관을 수용하며 상기 수용된 공정가스를 상기 진공챔버로 배출할 수 있게 상기 제1분사공과 반대의 방향으로 길이방향을 따라 복수 개의 제2분사공이 형성된 제2배출관을 구비한 가스배출부를 구비하는 것이 바람직하다.In addition, in the arc ion deposition apparatus, the gas injection means has a plurality of first injection holes formed along the longitudinal direction so that the process gas is supplied from the gas supply means at one end and injected into the vacuum chamber. A first discharge pipe arranged vertically in the vacuum chamber to be spaced apart from the target member at a predetermined interval in the radial direction, and a space spaced at a predetermined interval from the first discharge pipe to accommodate the process gas injected from the first injection hole are formed. A gas discharge unit provided with a second discharge pipe having a plurality of second injection holes formed along a longitudinal direction in a direction opposite to the first injection hole to accommodate the first discharge pipe and to discharge the received process gas into the vacuum chamber. It is desirable to provide
또한, 상기의 아크이온 증착장치에 있어서, 상기 가스분사수단은 상기 타겟부재의 원주방향을 따라 복수개 구비되는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 가스공급수단은 상기 공정가스를 어느 한 상기 가스분사수단의 제1배출관으로는 상단에서 공급하고, 이웃한 다른 상기 가스분사수단의 제1배출관으로는 하단에서 공급한다.In addition, in the above arc ion deposition apparatus, it is preferable that the gas injection means is provided in plurality along the circumferential direction of the target member. In this case, the gas supply means supplies the process gas from an upper end to the first discharge pipe of one of the gas ejection means, and supplies the process gas to the first discharge pipe of the other adjacent gas ejection means from the lower end.
또한, 상기의 아크이온 증착장치에 있어서, 상기 제2배출관은 상기 공정가스가 상기 배기구의 반대방향으로 배출되도록 상기 제2분사공이 상기 배기구의 반대방향으로 향하는 것이 바람직하다.In addition, in the arc ion deposition apparatus, the second discharge pipe preferably directs the second injection hole in a direction opposite to the exhaust port so that the process gas is discharged in the opposite direction of the exhaust port.
본 발명에 의하면, 가스공급수단에서 공정가스를 혼합하고, 혼합된 공정가스가 가스분사수단의 길이방향을 따러 형성된 제2분사공을 통하여 진공챔버 내부로 분사된다. 그래서 진공챔버 내에서 공정가스가 균일하게 혼합될 뿐만 아니라, 균일하게 분포시킬 수 있다. 이로 인하여 증착된 기판의 색상 조절 및 두께 조절을 용이하게 할 수 있다.According to the present invention, the process gas is mixed in the gas supply means, and the mixed process gas is injected into the vacuum chamber through the second injection hole formed along the longitudinal direction of the gas injection means. Thus, process gases can be uniformly mixed and evenly distributed in the vacuum chamber. Accordingly, it is possible to easily adjust the color and thickness of the deposited substrate.
도 1은 본 발명에 따른 아크이온 증착장치의 일 실시예의 개념도,
도 2는 도 1의 실시예의 진공챔버을 위에서 바라본 단면도,
도 3은 도 1의 실시예의 가스공급수단과 가스분사수단의 개념도,
도 4는 도 1의 실시예의 가스분사수단의 부분확대도이다. 1 is a conceptual diagram of an embodiment of an arc ion deposition apparatus according to the present invention;
Figure 2 is a cross-sectional view of the vacuum chamber of the embodiment of Figure 1 viewed from above;
3 is a conceptual diagram of a gas supply means and a gas injection means in the embodiment of FIG. 1;
Figure 4 is a partially enlarged view of the gas injection means of the embodiment of Figure 1;
도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 아크이온 증착장치의 일 실시예를 설명한다.An embodiment of an arc ion deposition apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4 .
본 발명에 따른 아크이온 증착장치는 진공챔버(10)와, 원통형 타겟부재(15)와, 트리거(20)와, 가스공급수단(25)과, 가스분사수단(30)과, 스팟차단부(35)와, 제어부(미도시)를 포함한다.The arc ion deposition apparatus according to the present invention includes a
진공챔버(10)는 진공펌프에 의해 내부 공간의 압력이 진공상태로 유지된다. 진공챔버(10)에는 배기구(11)가 형성되어 진공펌프가 동작하면 진공챔버(10) 내부의 공기는 진공펌프에 의해 배기구(11)를 통해 배출되어 진공으로 유지된다. 진공챔버(10) 내부의 진공 압력은 대략 1.0 ~ 5.0 ×10-5Torr 정도이다.In the
타겟부재(15)는 피증착물의 표면에 증착되는 피막의 소스 역할을 한다. 주로 티타늄(Ti)이나 지르코늄(Zr) 등과 같은 티탄족 원소로 형성되며, 진공챔버(10)의 내부의 중심부에서 상단에서부터 하단으로 장착된다. 타겟부재(15)에는 상단 및 하단으로부터 전원이 인가되며, 전원이 공급되고 아크 스팟이 발생되면 표면 입자가 기화 또는 이온화된다. 그래서 증발된 금속 이온 등은 전기장, 확산 등으로 이동한다. 이때 진공챔버(10) 내에 공정가스가 투입되면, 증발된 금속 이온과 공정가스가 결합하여 피증착물에 증착될 수 있다.The
트리거(20)는 타겟부재(15)에 아크를 발생시킨다. 아크가 발생되면 아크는 타겟부재(15)의 표면을 따라 상하로 왕복 이동한다.The
가스공급수단(25)은 진공챔버(10) 내에서 플라즈마를 생성하기 위한 공정가스를 공급하는 역할을 한다. 이를 위해서 가스공급수단(25)은 복수의 공급가스부(26)와, 가스혼합부(28)를 구비한다. 공급가스수단(26)은 주입되는 각각의 가스별로 복수개 준비되어 가스를 각각 공급한다. 공급되는 공급가스로는 아르곤(Ar), 질소(N2), 아세틸렌(C2H2), 산소(O2) 등이 있으며, 코팅의 색상에 따라 선택적으로 주입될 수 있다.The
가스혼합부(28)는 공급가스부(26)에서 공급되는 각각의 공정가스를 혼합한다. 공급가스부(26)에서 각각의 가스가 진공챔버(10)의 내부로 직접 공급되면, 진공챔버(10) 내에서 공급가스가 균일하게 섞이지 아니하므로 코팅의 성능이 떨어지게 된다. 그래서 가스혼합부(28)는 각각의 공급가스부(26)에서 공급되는 공정가스를 혼합하여 이를 진공챔버(10)로 공급한다.The
가스분사수단(30)는 가스공급수단(25)으로부터 공정가스를 공급받아서 진공챔버(10) 내로 분사시킨다. 이를 위해서 가스분사수단(30)은 공정가스를 더욱 혼합시켜 분사시키기 위하여 제1배출관(31)과, 제2배출관(33)을 구비한다.The gas injection means 30 receives the process gas from the gas supply means 25 and injects it into the
제1배출관(31)은 단부에서 가스공급수단(25)으로부터 공정가스를 공급받을 수 있으며, 진공챔버(10)의 내부에서 타겟부재(15)에서 반경방향으로 일정 간격 이격되어 수직으로 배치된다. 이때 제1배출관(31)은 길이방향으로 따라 복수 개의 제1분사공(31a)이 형성되어 공정가스를 진공챔버(10) 방향으로 분사한다. 제2배출관(33)은 제1배출관(31)과 일정 간격 이격되어 수용부(34)가 형성되도록 제1배출관(31)을 수용할 수 있게 감싼다. 그래서 제1분사공(31a)에서 분사된 공정가스는 제2배출관(33)의 내부의 수용부(34)에 수용될 수 있다. 그리고 제2배출관(33)은 제1배출공(31a)에서 분사되어 수용부(34)에 수용된 공정가스를 진공챔버(10)의 내부로 분사할 수 있게 길이방향을 따라 일정 간격 이격된 복수 개의 제2배출공(33a)이 형성된다. 이때 가스분사수단(30)은 가스공급수단(25)에서 공급된 공정가스가 내부에서 더욱 혼합될 수 있도록 제1분사공(31a)과 제2분사공(33a)의 방향이 반대로 형성된다. 즉 제1분사공(31a)과 제2분사공(33a)이 동일한 방향으로 형성되면 제1분사공(31a)에서 분사된 공정가스가 제2분사공(33a)으로 바로 배출될 수 있기 때문에 이 경우는 공정가스가 혼합되기 어렵다. 그래서 제2배출관(33)의 내부에서 한번 더 혼합될 수 있도록 제2분사공(33a)은 제1분사공(31a)의 반대 방향에서 형성된다. 그래서 제1분사공(31a)에서 공정가스가 분사되면 제1배출관(33)의 내부의 수용부(34)에 수용되어 한번 더 혼합되었다가 제1분사공(31a)과 반대 방향에서 형성된 제2분사공(33a)로 배출된다. 한편 제2분사공(33a)는 제2배출관(33)에서 길이방향을 따라 복수 개 형성된다. 그래서 제2분사공(33a)은 진공챔버(10)의 내부에서 수직으로 일정한 간격으로 형성되어 공정가스를 분사시키므로 공정가스는 진공챔버(10) 내에서 균일하게 분포될 수 있다.The
이때 가스분사수단(30)은 복수 개가 형성된다. 본 실시예의 경우 180도 간격의 2개의 가스분사수단(30)이 형성된다. 그래서 진공챔버(10) 내부에 공급되는 공정가스의 혼합을 더욱 균일하게 하기 위하여 첫번째 가스분사수단(30)의 경우에는 가스공급수단(25)으로부터 제1배출관(31)의 상단으로 공정가스가 공급되고, 두번째 가스분사수단(30)의 경우에는 제1배출관(31)의 하단으로 공정가스가 공급된다. At this time, a plurality of gas injection means 30 are formed. In the case of this embodiment, two gas injection means 30 are formed at intervals of 180 degrees. Therefore, in order to more uniformly mix the process gas supplied into the
한편 진공챔버(10)는 진공펌프에 의해 내부가 진공으로 유지된다. 그래서 배기구(11)를 통하여 내부의 공기가 지속적으로 배출된다. 이때 공정가스가 배기구(11) 방향으로 분사되면 진공펌프에 의하여 외부로 쉽게 배출될 수 있으므로 가스분사수단(30)은 배출되는 공정가스는 타겟부재(15)를 향하여 배기구(11)의 반대방향으로 향하도록 제2분사공(33a)이 형성된다. 그래서 본 실시예의 경우 도 2에 도시된 바와 같이 배기구(11)의 반대방향으로 타겟부재(15)를 향하여 45도의 각도로 공정가스가 분사될 수 있게 제2분사공(33a)이 형성된다.Meanwhile, the inside of the
스팟차단부(35)는 타겟부재(14)의 상부와 하부에 각각 장착되어 아크 스팟의 이동범위를 제한한다. 스팟차단부(35)는 영구자석을 구비하여 자기장을 형성함으로써 아크 스팟이 타겟부재(14)를 따라 더 이상 진행되지 않도록 한다.The
제어부는 타겟부재(15)에 공급되는 전원을 제어한다. 타겟부재(15)에는 상단 및 하단에서 전위차를 가지도록 서로 다른 전압으로 전원이 공급된다. 여기서 제어부는 일정한 시간 간격으로 상단과 하단에서 교대로 전압이 높도록 제어한다. 그래서 아크 스팟의 방향이 일정한 시간 간격으로 하방으로 이동하다가 상방으로 이동하는 등 방향전환을 시킬 수 있다.The control unit controls the power supplied to the
본 실시예의 경우 공정가스는 가스공급수단(25)에서 혼합되어 진공챔버(10)로 공급되는 한편, 진공챔버(10)에서 내부에서 분사되기 전 가스분사수단(30)에서 한번 더 혼합되므로 공정가스를 균일하게 혼합할 수 있다. 그리고 가스분사수단(30)의 제2배출관(33)에서 제2분사공(33a)이 길이방향으로 따라 일정 간격 이격되어 복수 개 형성되므로 공정가스를 진공챔버(10)의 내부에서 균일하게 분포시키도록 분사시킬 수 있을 뿐만 아니라 진공챔버(10)의 배기구(11)의 반대 방향으로 분사시키므로 공정가스의 손실을 적게할 수 있다.In the case of this embodiment, the process gas is mixed in the gas supply means 25 and supplied to the
10 : 진공챔버 11 : 배기구
15 : 원통형 타겟부재 20 : 트리거
25 : 가스공급수단 26 : 공급가스부
28 : 가스혼합부 30 : 가스분사수단
31 : 제1배출관 31a : 제1분사공
33 : 제2배출관 33a : 제2분사공
34 : 제1배출관의 수용부 35 : 스팟차단부10: vacuum chamber 11: exhaust port
15: cylindrical target member 20: trigger
25: gas supply means 26: supply gas unit
28: gas mixing unit 30: gas injection means
31:
33: second discharge pipe 33a: second injection hole
34: receiving part of the first discharge pipe 35: spot blocking part
Claims (4)
상기 진공챔버의 중심부에서 상하로 배치되어 전원을 공급받아 타겟 물질을 방출하기 위한 원통형 타겟부재와,
상기 타겟부재에 아크 스팟을 생성시키기 위한 트리거와,
상기 진공챔버 내에서 플라즈마를 생성하기 위하여 각각의 공정가스를 각각 공급하기 위한 복수의 공급가스부와, 상기 공급가스부에서 공급되는 각각의 공정가스를 혼합하기 위한 가스혼합부를 구비하여 상기 가스혼합부에서 혼합된 공정가스를 진공챔버로 공급하는 가스공급수단과,
일단에서 상기 가스공급수단으로부터 상기 공정가스를 공급받아서 상기 진공챔버로 분사시킬 수 있도록 길이방향을 따라 복수개의 제1분사공이 형성되어 상기 타겟부재에서 반경방향으로 일정간격 이격되게 상기 진공챔버에서 상하로 배치된 제1배출관과, 상기 제1분사공에서 분사된 상기 공정가스를 수용할 수 있게 상기 제1배출관과 일정 간격 이격 공간이 형성되도록 상기 제1배출관을 수용하며 상기 수용된 공정가스를 상기 진공챔버로 배출할 수 있게 상기 제1분사공과 반대의 방향으로 길이방향을 따라 복수 개의 제2분사공이 형성된 제2배출관을 구비한 가스배출부를 구비하는 가스분사수단과,
상기 타겟부재의 상부와 하부에 각각 장착되어 상기 아크 스팟의 이동범위를 제한하는 스팟차단부와,
상기 타겟부재에 공급되는 전원을 제어하는 제어부를 포함하며,
상기 제2배출관은 상기 공정가스가 상기 배기구의 반대방향으로 배출되도록 상기 제2분사공이 상기 배기구의 반대방향으로 향하는 것을 특징으로 하는 아크이온 증착장치.A vacuum chamber having an exhaust port to vacuum the inside;
Cylindrical target members disposed vertically in the center of the vacuum chamber to receive power and emit target materials;
A trigger for generating an arc spot on the target member;
A plurality of supply gas units for respectively supplying each process gas to generate plasma in the vacuum chamber, and a gas mixing unit for mixing each process gas supplied from the supply gas unit, the gas mixing unit A gas supply means for supplying the process gas mixed in the vacuum chamber to the vacuum chamber;
At one end, a plurality of first injection holes are formed along the longitudinal direction so that the process gas is supplied from the gas supply means and injected into the vacuum chamber, and is spaced apart from the target member at a predetermined interval in the radial direction, vertically in the vacuum chamber. The first discharge pipe is accommodated so that a space spaced at a predetermined interval from the first discharge pipe is formed to accommodate the disposed first discharge pipe and the process gas injected from the first injection hole, and the received process gas is discharged into the vacuum chamber. A gas ejection unit having a gas discharge unit having a second discharge pipe formed with a plurality of second injection holes along the longitudinal direction in a direction opposite to the first injection hole so as to discharge gas into the air;
Spot blockers mounted on the upper and lower portions of the target member to limit the moving range of the arc spot;
And a control unit for controlling the power supplied to the target member,
Arc ion deposition apparatus, characterized in that the second discharge hole of the second discharge pipe is directed in a direction opposite to the exhaust port so that the process gas is discharged in the opposite direction of the exhaust port.
상기 가스분사수단은 상기 타겟부재의 원주방향을 따라 복수개 구비되며,
상기 가스공급수단은 상기 공정가스를 어느 한 상기 가스분사수단의 제1배출관으로는 상단에서 공급하고, 이웃한 다른 상기 가스분사수단의 제1배출관으로는 하단에서 공급하는 것을 특징으로 하는 아크이온 증착장치.According to claim 1,
The gas injection means is provided in plurality along the circumferential direction of the target member,
Arc ion deposition characterized in that the gas supply means supplies the process gas from an upper end to a first discharge pipe of one of the gas ejection means and from a lower end to the first discharge pipe of the other adjacent gas ejection means. Device.
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2022
- 2022-07-11 KR KR1020220085087A patent/KR102509946B1/en active IP Right Grant
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