KR20110076152A

KR20110076152A - 구리 피막의 제조방법

Info

Publication number: KR20110076152A
Application number: KR1020090132784A
Authority: KR
Inventors: 정재인; 양지훈
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2029-12-29
Also published as: KR101591025B1

Abstract

본 발명은 구리 피막의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 진공 챔버의 수냉 기판 홀더에 기판을 장입하고, 상기 진공 챔버 내부를 제1 진공 상태로 형성하기 위하여 배기시킨다. 이 후, 상기 진공 챔버 내부로 불활성 기체를 유입시키고 상기 기판에 전압을 인가하여 활성화시키고, 상기 진공 챔버 내부를 제2 진공 상태로 형성하기 위하여 배기시키며, 상기 수냉 기판 홀더에 물을 흐르게 함과 동시에, 상기 기판에 인접하여 위치한 구리를 증발시키고 상기 기판에 바이어스 전압을 인가하여 구리를 코팅한다.

구리 피막, 구리 코팅, 증발율, 바이어스 전압, 수냉 기판 홀더

Description

구리 피막의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF COPPER FILMS}

본 발명은 구리 피막의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라스틱 소재 상에 조직이 제어된 구리 피막을 제조하는 방법에 관한 것이다.

플라스틱 소재는 가벼우면서도 대기 중에서 부식이 일어나지 않고 다양한 방법으로 가공 및 성형이 용이하여 그 응용이 날로 확대되고 있다. 플라스틱은 유리처럼 쉽게 깨지지 않아, 견고하고 휴대가 용이하다는 장점이 있다.

최근에는 각종 전자 부품의 케이스 등에 플라스틱 소재를 사용하는 비율이 증가하면서 이러한 소재의 기능 향상을 위한 코팅 수요도 증가하고 있다. 특히, 플라스틱에 전도성을 부여하는 코팅 또는 장식성을 향상시키기 위하여 투명 플라스틱에 반사율을 조정하거나 칼라를 입히는 코팅의 수요가 급증하고 있다.

이와 같은 플라스틱 소재 상에 코팅을 하는 방법으로 진공 코팅이 소개되어 있는데, 진공 코팅은 진공 분위기에서 금속 또는 화합물을 유리, 플라스틱 또는 금속 등의 소재에 코팅하는 기술로, 습식 도금에 비하여 환경에 미치는 영향이 적어 그 활용이 증가하고 있다.

진공 코팅은 진공 증착이라는 용어로도 사용되는데, 진공 증착은 일반적으로 물리 증착과 화학 증착으로 구분되며, 물리 증착은 열이나 운동량 전달에 의해 증기를 형성하여 기판에 증착하는 방법으로서, 증발법, 스퍼터링 및 이온 플레이팅으로 구분된다.

이 중 스퍼터링은 이온화된 불활성 기체가 음의 바이어스 전압이 인가된 타겟에 충돌할 때 입사 이온의 운동량 전달 과정에서 에너지를 얻은 타겟의 입자가 물질 밖으로 튀어나오는 현상을 의미하는 것으로, 소재 상에 피막을 코팅하는데 있어서 이와 같은 스퍼터링법이 주로 이용된다.

하지만, 플라스틱 소재 상에 피막을 코팅하는데 있어서 스퍼터링 방법을 이용하는 경우, 잠열에 의하여 기판의 온도가 상승함으로써 기판의 변형이 발생하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 금속이 코팅된 플라스틱 기판을 전자 소자 등으로 사용할 경우 금속층의 에칭을 통한 패턴화가 필요하게 되는데, 스퍼터링 방법에 의한 진공 증착 피막의 경우 주상정(column grain)으로 성장하여 주상정 사이에 기공이 존재하게 되고, 이에 의해 에칭 특성이 달라져서 균일한 패턴화가 어렵게 된다.

본 발명은 전술한 배경기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 코팅 중에 증발율 및 바이어스 전압을 조절하여 피막의 조직을 제어하는 구리 피막의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 구리 피막의 제조방법은 진공 챔버의 수냉 기판 홀더에 기판을 장입하는 기판 장입 단계, 상기 진공 챔버 내부를 제1 진공 상태로 형성하기 위한 제1 배기 단계, 상기 진공 챔버 내부로 불활성 기체를 유입시키고 상기 기판에 전압을 인가하여 활성화시키는 기판 활성화 단계, 상기 진공 챔버 내부를 제2 진공 상태로 형성하기 위한 제2 배기 단계 및 상기 수냉 기판 홀더에 물을 흐르게 함과 동시에, 상기 기판에 인접하여 위치한 구리를 증발시키고 상기 기판에 바이어스 전압을 인가하여 구리를 코팅하는 코팅 단계를 포함한다.

상기 코팅 단계는, 제1 구리 증발율에서 제1 바이어스 전압을 인가하여 이루어지는 제1 코팅 단계, 상기 제1 구리 증발율보다 높은 제2 구리 증발율에서, 상기 제1 바이어스 전압보다 낮은 제2 바이어스 전압을 인가하여 이루어지는 제2 코팅 단계 및 상기 제2 구리 증발율보다 높은 제3 구리 증발율에서, 상기 제2 바이어스 전압보다 낮은 제3 바이어스 전압을 인가하여 이루어지는 제3 코팅 단계를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 제1 구리 증발율은 상기 제3 구리 증발율의 10% 이하일 수 있 고, 상기 제2 구리 증발율은 상기 제3 구리 증발율의 10% 내지 40%일 수 있다.

또한, 상기 제1 바이어스 전압은 상기 제3 바이어스 전압의 6배 이상일 수 있고, 상기 제2 바이어스 전압은 상기 제3 바이어스 전압의 2배 내지 4배일 수 있다.

본 실시예에 따른 구리 피막의 제조방법은 상기 기판 장입 단계 전에 상기 기판을 초음파 세척하는 초음파 세척 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 구리 피막을 형성하는 과정에서 기판의 변형이나 파손을 억제할 수 있다.

또한, 구리 피막을 형성하는데 있어서 임의의 조직의 형성이 가능하여 에칭 등의 특성을 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 증착 장치의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 공정을 나타내는 순서도로서, 이하 이를 참조하여 본 실시예에 따른 구리 피막의 제조 방법을 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 증착 장치는 진공 챔버(10), 수냉 기판 홀더(20), 셔터(30), 가스 도입부(40) 및 진공 게이지(50)를 포 함한다. 또한, 진공 증착 장치는 구리를 증착하기 위한 스퍼터링 소스(60) 및 스퍼터링용 전원(62), 기판(25)에 바이어스 전압을 인가하기 위한 바이어스용 전원(70)을 더 포함할 수 있다.

이하에서는, 상기 진공 증착 장치를 사용하여 기판에 구리 피막을 형성하는 방법에 대하여 설명한다.

우선, 구리 타겟(65)을 스퍼터링 소스(60)에 장착하고, 기판(25)을 수냉 기판 홀더(20)에 설치한다. 그 후, 진공 펌프 등의 배기 수단(미도시)을 이용하여 진공 챔버(10) 내의 공기를 배기시켜 진공 챔버(10) 내부를 원하는 진공도의 진공 상태로 유지시킨다. 본 실시예에서는 진공도를 10^-5 Torr로 유지시킨다. 진공 게이지(50)를 통해 진공 챔버(10) 내의 진공도를 확인하여 원하는 진공도까지 배기시킨 후, 불활성 기체를 가스 도입부(40)를 통해 진공 챔버(10) 내에 유입시키고, 기판(25)에 음의 바이어스 전압을 인가하여 기판(25)을 활성화시킨다.

기판의 활성화는 피막의 밀착력을 향상시키기 위한 것으로, 본 실시예에서는 기판(25)을 활성화시키기 위한 불활성 기체로 아르곤 가스를 사용하는데, 일반적으로 10^-2 Torr 정도의 아르곤 가스 분위기에서 기판에 400~800V의 음의 바이어스 전압을 인가함으로써 글로 방전(glow discharge)을 유도시킨다. 이와 같은 과정을 통하여 아르곤 이온이 기판에 충돌하여 기판(25)의 표면에 존재하는 불순물을 제거하고 기판(25)의 표면을 활성화시키게 된다.

기판(25)을 활성화시킨 후 구리를 기판에 코팅하기 전에 배기 수단을 이용하 여 재차 진공 챔버(10) 내부를 원하는 진공도의 진공 상태로 유지시킨다. 본 실시예에서는 기판의 활성화 이후의 진공도 역시 10^-5 Torr로 유지시킨다.

기판(25)에 구리를 코팅하는 과정은 수냉 기판 홀더(20)에 물을 흘려 기판(25)을 냉각시키면서 진행하는데, 이와 같이 수냉 기판 홀더(20)를 이용하는 냉각 과정이 포함되어 있어 코팅 과정에서 고온에 의한 기판의 변형이나 파손을 방지할 수 있게 된다.

코팅 단계는 도 2에 도시한 바와 같이 시간의 경과에 따라 총 3단계로 이루어진다. 코팅 초기 단계인 제1 단계에서는 상대적으로 낮은 증발율에서 상대적으로 높은 바이어스 전압을 인가하여 코팅을 진행한다. 이와 같은 과정을 통하여 피막의 밀착력을 향상시킬 수 있어 밀도를 향상시킬 수 있게 된다. 제2 단계에서는 제1 단계보다 증발율을 증가시키는 반면에 바이어스 전압을 낮추어 코팅을 진행하는데, 이 과정에서 피막의 성장 조직을 제어할 수 있게 된다. 최종 단계인 제3 단계에서는 증발율을 더 높이고 바이어스 전압은 더욱 낮춘 상태에서 코팅을 진행시키는데, 이를 통하여 피막의 조직이 분말 조직과 유사한 임의의 조직으로 성장하게 된다.

이하에서는 전술한 실시예에 따라 PET 기판 상에 구리 피막을 형성하는 과정을 구체적으로 설명한다.

본 실시예에서는 PET 기판에 구리를 10㎛ 두께로 코팅한 경우를 설명한다. 가로 및 세로가 각각 10㎝이고, 두께가 0.1㎜인 PET 기판(25)을 준비하고, 이를 진 공 증착 장치에 장입하기 전에 대기 중에서 아세톤과 알코올을 이용하여 초음파 세척한다. 이 후, 세척된 PET 기판(25)을 진공 증착 장치에 장입하는데, 진공 챔버(10) 내의 수냉 기판 홀더(20)에 PET 기판(25)을 장착하고, 진공 펌프(미도시)를 이용하여 10^-5 Torr 이하까지 진공 챔버(10) 내부를 배기한다. 이 때, 진공 챔버(10) 내부의 진공도는 진공 증착 장치에 구비된 진공 게이지(50)를 통하여 확인할 수 있다.

진공 챔버(10) 내부의 진공도가 10-5 Torr 이하가 되면, PET 기판(25) 표면에 존재하는 불순물을 제거하고 표면을 활성화시키기 위하여 PET 기판(25)을 활성화시킨다. 구체적으로, 불활성 기체인 아르곤 가스를 70sccm 주입하여 진공 챔버(10) 내부의 진공도를 10-2 Torr가 되도록 조절하고, 이후 바이어스용 전원(70)인 펄스 전원을 인가하는데, 인가되는 전압은 400V로 조정한다. 이와 같은 과정을 통하여 글로 방전이 유도되면 5분간 PET 기판(25)을 활성화시킨다.

이 후 구리의 코팅을 위해 아르곤 가스를 배기시켜 진공 챔버(10) 내부의 진공도를 7 x 10-4 Torr로 유지시킨다. 이후 구리 타겟(65)이 장착된 스퍼터링 소스(60)에 스퍼터링용 전원(62)을 인가하여 PET 기판(25)에 구리를 코팅한다.

전술한 바와 같이, 코팅 단계는 총 3단계로 이루어지는데, 제1 단계에서는 구리의 증발율을 0.1㎛/min으로 하고, 바이어스 전압을 400V로 하여 5분간 코팅한다. 이어서, 제2 단계에서는 증발율을 0.5㎛/min으로 하고 바이어스 전압은 200V로 하여 5분간 코팅하고, 제3 단계에서는 증발율을 1.5㎛/min으로 하고 바이어스 전압은 50V로 하여 5분간 코팅한다.

이와 같은 공정을 통하여 약 10㎛ 정도의 두께를 갖는 구리 피막이 형성된다. 이 때, 증발율을 코팅 시간으로 곱한 값이 코팅되는 피막의 두께를 나타나게 되는데, 각 단계에서의 코팅되는 피막의 두께를 합한 값보다 실제 얻어지는 피막의 두께가 작은 값을 보이게 된다. 이는 높은 바이어스 전압에 의해 코팅층의 일부가 재증발되어 나타나는 현상이다.

한편, 본 실시예에서와 같이, 제1 단계의 증발율은 최종 단계인 제3 단계에서의 증발율의 10% 이하로 설정하고, 제1 단계의 바이어스 전압은 제3 단계에서의 바이어스 전압의 6배 이상으로 설정하는 것이 바람직한데, 이는 피막의 밀착력을 증가시키고, 밀도를 향상시키기 위함이다.

또한, 제2 단계의 증발율 및 바이어스 전압은 각각 제3 단계에서의 증발율의 10% 내지 40% 및 제3 단계에서의 바이어스 전압의 2배 내지 4배로 설정하는 것이 바람직하다. 이는 형성되는 피막의 조직을 분말과 유사한 임의의 조직으로 형성하기 위하여 필요한 조건이다.

도 3은 X-선 회절 방법을 이용하여 본 실시예에 의하여 형성된 구리 피막의 회절 피크를 얻은 후 분말 패턴과 비교한 도면이다. 이를 참조하면, 본 실시예에 의해 형성된 구리 피막의 조직이 분말 패턴과 매우 유사하게 형성되어 있음을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 구리 코팅 과정에서 수냉 기판 홀더를 이용하여 냉각함으로써 고온에 의한 기판의 변형이나 파손을 방지할 수 있고, 코팅 단계를 구리의 증 발율 및 기판에 인가되는 바이어스 전압을 단계적으로 변경하여 구성함으로써 피막의 밀착성을 향상시킬 수 있고, 임의의 피막의 조직을 얻을 수 있어, 에칭 특성 등을 향상시킬 수 있다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통하여 설명하였지만, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않는다. 즉, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 증착 장치의 개략적인 구성도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리 피막의 제조방법의 개략적인 순서도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리 피막의 X-선 회절 피크를 분말 패터의 X-선 회절 피크와 비교하여 나타내는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

10: 진공 챔버 20: 수냉 기판 홀더

22: 기판 회전 장치 25: 기판

30: 셔터 40: 가스 도입부

50: 진공 게이지 60: 스퍼터링 소스

62: 스퍼터링용 전원 65: 구리 타겟

70: 바이어스용 전원

Claims

진공 챔버의 수냉 기판 홀더에 기판을 장입하는 기판 장입 단계;

상기 진공 챔버 내부를 제1 진공 상태로 형성하기 위한 제1 배기 단계;

상기 진공 챔버 내부로 불활성 기체를 유입시키고 상기 기판에 전압을 인가하여 활성화시키는 기판 활성화 단계;

상기 진공 챔버 내부를 제2 진공 상태로 형성하기 위한 제2 배기 단계; 및

상기 수냉 기판 홀더에 물을 흐르게 함과 동시에, 상기 기판에 인접하여 위치한 구리를 증발시키고 상기 기판에 바이어스 전압을 인가하여 상기 기판에 구리를 코팅하는 코팅 단계;

를 포함하는 구리 피막의 제조방법.
제1항에서,

상기 코팅 단계는,

제1 구리 증발율에서 제1 바이어스 전압을 인가하여 이루어지는 제1 코팅 단계;

상기 제1 구리 증발율보다 높은 제2 구리 증발율에서, 상기 제1 바이어스 전압보다 낮은 제2 바이어스 전압을 인가하여 이루어지는 제2 코팅 단계; 및

상기 제2 구리 증발율보다 높은 제3 구리 증발율에서, 상기 제2 바이어스 전압보다 낮은 제3 바이어스 전압을 인가하여 이루어지는 제3 코팅 단계를 포함하는,

구리 피막의 제조방법.
제2항에서,

상기 제1 구리 증발율은 상기 제3 구리 증발율의 10% 이하인, 구리 피막의 제조방법.
제2항에서,

상기 제2 구리 증발율은 상기 제3 구리 증발율의 10% 내지 40%의 범위에 속하는, 구리 피막의 제조방법.
제2항에서,

상기 제1 바이어스 전압은 상기 제3 바이어스 전압의 6배 이상인, 구리 피막의 제조방법.
제2항에서,

상기 제2 바이어스 전압은 상기 제3 바이어스 전압의 2 내지 4배의 범위에 속하는, 구리 피막의 제조방법.
제1항에서,

상기 기판 장입 단계 전에 상기 기판을 초음파 세척하는 초음파 세척 단계를 더 포함하는 구리 피막의 제조방법.