PVD 엔지니어가 알려주는 박막 코팅의 심층 탐구(1) - 플라즈마 방전 / 코팅의 목적 및 원리

이번 포스팅에서는 코팅의 목적과 플라즈마 방전의 원리/종류 그리고 각 PVD 코팅 방식에 대한 코팅 원리를 세부적으로 살펴보겠습니다. 특히, 현 반도체 산업 및 초경/합금과 같은 METAL 재료 산업계에서 활용되는 PVD 코팅에 대해 심층적으로 다뤄보며, 스퍼터링과 아크 이온 플레이팅 및 증발법과 같은 증착 방식을 배워보겠습니다.

 

 

목차

1. 코팅의 목적

2. 플라즈마 방전의 원리 및 종류
  2-1. 플라즈마란?
  2-2. 플라즈마 방전이란?
  2-3. 플라즈마 방전 원리
  2-4. 플라즈마 방전의 종류

3. PVD코팅의 종류 및 원리
  3-1. PVD코팅의 종류
  3-2. PVD코팅의 원리

 

 

 

    1. 코팅의 목적

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코팅을 통해 하고자 하는 목적은 크게 두 가지 입니다.

 

• 모재 보호
• 제품 수명 향상

 

참고로 여기서 모재란, 어미 모(母)와 재목 재(材)를 결합한 한자어로써 ‘Base Metal’을 의미합니다. 다시 말해, 코팅을 통해 합금 모재의 표면을 보호하고 이로 인한 수명 향상을 기대할 수 있기 때문에 박막(코팅)을 진행합니다. 어렵지않죠?

 

 

    2. 플라즈마 방전의 원리 및 종류

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2-1. 플라즈마란?

: 한번쯤은 들어본 적 있습니다. “Plasma”.

쉽게 요약하면, ‘초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태 즉, 제 4의 물질 상태’를 뜻합니다.

 

이는 기체 상태에서 높은 E를 가해 수만℃ 에서 전자와 원자핵으로 분리되는 상태를 말하는데요, 플라즈마를 만드려면 흔히 직류(DC), 초고주파(RF), 전자빔 등 전기적 방법을 가해 플라즈마를 생성한 다음 자기장 등을 사용해 이를 유지해야 합니다.

 

2-2. 플라즈마 방전이란?

: 기체 상태의 물질에 열(전기장)을 가하면, 이온핵과 자유전자로 이뤄진 입자들의 집합체가 형성됩니다. 이 때 기체(전기가 거의 통하지 않는 절연체)가 이러한 강한 전기장 속에 있을 때, 절연성을 잃고 그 속으로 전류가 흐르는 현상을 “플라즈마 방전”이라고 합니다.

 

2-3. 플라즈마 방전 원리

플라즈마 방전 메커니즘은 크게 네 단계로 구성할 수 있습니다.

1단계

: 외부에서 인가된 전계(Electric Field)에 의해 전자가 가속되어 가스 원자와 충돌 원자핵에 구속되어 궤도를 돌던 전자가 충돌 E를 흡수하여 원자의 구속에서 벗어남(이온화)

 

2단계

: 전자들이 다시 가속되어 다른 원자와 충돌해 제 2차, 3차의 이온화 발생

 

3단계

: 가속된 전자가 가스 원자와 충돌하였으나, E가 원자핵 구속을 벗어날 만큼 충분하지 못한 경우, 전자가 더 높은 E 상태의 다른 궤도로 여기(Radical 발생)

 

※ 여기서 Radical이란? 단어 그대로 급진적이라는 표현에 걸맞게, 플라즈마 상태에서 존재하는 Unsatisfied Bonding 상태의 입자를 의미합니다. 즉, 자연계에 존재할 수 없는 ‘반응성이 몹시 큰 상태’의 입자를 말합니다.

 

4단계

: 높은 E 상태의 궤도로 여기된 전자가 원래의 궤도로 되돌아가면 그 E 차에 해당하는 만큼의 E 방출(열 E 또는 빛 E)

 

2-4. 플라즈마 방전의 종류

종류로는 크게 ‘타우젠드 방전’, ‘글로우 방전’, ‘비정상 글로우 방전’ 이렇게 세 가지로 구분할 수 있습니다. 차근차근 정리하면서 살펴볼게요.

 

• 두 전극 사이에 10^(-5) A보다 낮은 전류에서 전압을 걸어주면 전극 사이의 전자들이 전극으로 끌려오며 전류가 흐르게 됨.(외부 전자 공급)
• 이 때 전압을 더욱 높여주면 전극 사이의 전자들이 더욱 가속되어 기체 분자를 때려 기체를 이온화시키며, 더욱 많은 전자를 만들어 더욱 큰 전류의 원인이 되는데, 이때의 방전을 타운젠드 방전이라 함.
  
  
• 발생된 이온이 가속되어 음극을 때리면 2차 전자들이 발생되고, 이 전자들 또한 가속되어 기체를 이온화시킴. 이 때 전자의 수가 충분히 많아 손실되는 이온만큼 충분히 이온을 생성시킬 수 있으면 방전은 정상상태가 되는데, 즉 방전은 스스로 유지되며 전압은 떨어지고 전류는 급격히 증가함. 이 때 기체는 빛을 내면서 타기 시작(에너지 방출)하고 이를 글로우 방전(저전류/고전압)이라고 함.
  
  
• 글로우 방전이 일어날 때 전극에 걸리는 파워가 작을 때는 음극 가장자리에만 방전이 되며, 파워가 점점 커지면 방전이 일어나는 공간이 음극 전체를 덮게 되는데, 이 때 다시 전압을 증가시키면 전류가 증가하여 이를 비정상 글로우 방전이라고 함

 

 

    3. PVD코팅의 종류 및 원리

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모재 코팅에 활용되는 PVD코팅의 종류로 다음의 세 가지를 활용합니다. 살펴보죠.

 

3-1. PVD코팅의 종류

Evaporation

: 소스 물질을 직접저항, 복사, 와류, 전자빔, 레이저빔, 아크방전 등을 이용하여 가열을 통해 증기를 발생시키고, 이 발생된 증기를 10^(-5)~10^(-6) torr의 진공상태의 챔버에서 원자 충돌없이 모재까지 증착시키는 방법

 

Sputtering

: 글로우 방전에서 생성된 Ar, Xe 같은 비활성기체의 양의 기체 이온을 발생시켜 음극 Target 재료를 충돌시켜 원자를 기상으로 만든 뒤 소재에 증착시키는 방법

 

Ion Plating

: 소스 물질을 글로우 증발법과 유사한 방식으로 기화시키지만 모재로 가는 도중에 기체의 글로우 방전을 통과해야 하므로 원자의 일부가 이온화되어 스퍼터링과 비슷한 형태를 취하는 방법

3-2. PVD코팅의 원리

스퍼터링(Sputtering)의 원리

스퍼터링은 높은 E를 갖는 입자(이온)가 Target 원자에 충돌되고, 그와 동시에 운동량(모멘텀)을 전달함으로써 Target 원자가 이탈되는 과정으로 진행됩니다.

 

이 때, 스퍼터링은 이온의 가속, 이온의 Target 충돌 그리고 Target 원자 방출 이 세 과정을 통해 일어납니다.

 

이제 코팅 원리에 대해 살펴볼까요?

 

 

(1) DC 스퍼터링

특징	- 증착 속도 ∝ 기체 압력, 전류 밀도 - 일원 또는 다원계의 Target(세그먼트 혹은 합금)을 사용할 수 있으나 Target은 반드시 전도체여야만 함 - Target은 주로 Cathode로 사용되며 높은 음의 전압이 걸림 - 기판은 전기적으로 Anode가 되며 Target과 매우 약간 떨어져 있음
장점	- 장치 간단 - 조작 간단
단점	- 낮은 증착 속도 - 높은 기판 온도(Target으로부터 다량의 열이 방출되어 기판을 가열) - 전자의 입사에 의한 기판 손상 - 에너지 비효율성 - 높은 작업 압력으로 인해 박막 순도 낮음
설명	ⓐ 스퍼터 가스로는 보통 Ar이 사용됨. 전기장의 인가에 의해 가속된 전자가 Ar 가스와 충돌하여 Ar+이온을 생성하며, 이를 통해 더 많은 전자가 생성되고 이렇게 생성된 전자가 다시 전장에 의해 가속되어 Ar+ 이온을 만들어 내면서 글로우 방전이 유지됨.  ⓑ 전자는 Anode로 이동하고, 이온은 Cathode로 이동하며, 이를 통해 Current Flow가 형성됨. ⓒ 이온이 Target에 충돌할 때, Target 원자가 튀어나옴과 동시에 2차 전자가 Target으로부터 튀어나옴. 이렇게 생성된 2차 전자는 글로우 방전에 이용되며, 글로우 방전을 유지하게 해 줌. ⓓ Target으로부터 튀어나온 원자는 무질서하게 날다가 기판에 응축되기도 하는데, 이 때 박막이 형성됨. ⓔ 전압은 전류를 형성하는 데 필요하며, 전압과 전류와의 관계는 기체의 압력이 결정함. 스퍼터되는 속도는 Target에 충돌하는 이온(중성 원자)의 개수 및 에너지와 Sputter Yield(스퍼터링률: 이온 하나당 타겟 원자 또는 타겟 분자를 몇 개나 떼어 나는가를 말함)에 의해 결정됨. ⓕ 글로우 방전이 유지되기 위해서는 0.1~2.0mA/cm^2의 전류 밀도가 필요한데, 이를 위해서는 대략 300~500V의 전압이 필요함. ⓖ 기체의 압력 은 글로우 방전의 유지와 박막의 증착에 모두 영향을 미침. ⓗ 기체의 압력이 너무 낮으면 전자의 평균 자유 행로가 커서 중성원자들과 충돌해 새로운 이온과 전자를 만들기 어렵고, Anode에서 소비되는 전자도 이온 충돌에 의해 발생하는 2차 전자로 보충되지 않음. 따라서, 이온화되는 효율이 낮아 스스로 글로우 방전을 유지하기가 불가능해짐. ⓘ 기체의 압력이 너무 높아지면 입자의 평균 자유 행로가 감소하기 때문에, 이온의 경우 충분히 가속되기 전에 다른 입자와 충돌하여 큰 E를 갖지 못함. 따라서, 낮은 에너지로 Target에 입사하여 Sputter Yield가 떨어짐. ⓙ 최적의 증착 조건을 보이는 스퍼터 압력의 범위는 대략 30 ~ 120mTorr가 됨. 일반적으로, 증착 속도는 소비되는 파워에 비례하거나 또는 전류밀도의 제곱에 비례하고 전극간의 거리에 반비례함. ⓚ 이온은 전기장을 이용해 가속할 수 있기 때문에 다루기가 쉬워 스퍼터링에서 사용됨. 이 때 이온에 요구되는 성질은 Target 원자나 증착되는 박막과 반응 하지 않아야 함. ⓛ 일반적으로, 반응성이 없는 불활성 기체가 스퍼터에 이용됨. 가스의 원자량이 클수록 Sputter Yield가 크기 때문에 주로 Ar 가스가 사용됨.

 

 

(2) RF 스퍼터링

특징 및 설명

- 절연체의 박막을 증착시키기 위해 사용 - 주로 RF 진동수 범위는 5~30MHz이며, 13.56MHz가 특히 많이 사용됨 - 절연체 Target은 열전도성이 좋지 않아 열 충격에 의해 깨질 수 있으므로 제한된 증착 속도로만 증착하거나, 금속 Target을 가지고 반응성 증착으로 절연막을 형성시킴. - 금속, 합금, 산화물, 질화물, 탄화물 등 거의 모든 종류의 물질을 증착할 수 있음. 그러나, 생성된 막이 Target 조성과 반드시 일치하지 않기 때문에 주의해야 함.

 

 

(3) 마그네트론 스퍼터링

특징 및 설명

- DC 스퍼터링 장치와 유사함. - Cathode에 영구적인 자석이 장착되어 Target 표면과 평행한 방향으로 자장을 인가함. - 자장이 Target 표면과 평행하므로 전장에 대해서 수직하며, 전자는 Rorentz 힘을 받아 선회 운동 + 가속되므로 나선 운동함. - 이는 Target 근처에서 전자가 벗어나지 못하고 계속 그 주변을 선회하도록 하므로, Target 표면과 매우 가까운 곳에서 플라즈마가 유지되어(플라즈마 밀도가 높아져) 이온화율이 증가함.(Cemecon의 원리) - 이온이 많이 생겨 방전 전류가 증가하고 스퍼터 속도가 향상됨. - 기판에 대한 전자의 충돌이 줄어들고, 증착속도가 향상되며, 스퍼터 가능 압력도 낮출 수 있음. - 박막의 증착 속도를 약 50배까지 향상할 수 있으며, 증착 압력도 1mTorr까지 낮출 수 있음. (전형적인 자장의 세기는 200~500G)

 

 

(4) 반응성 스퍼터링

특징 및 설명

- 금속 Target을 이용하여 스퍼터링할 때 불활성 가스와 동시에 반응성이 있는 가스를 흘러줌으로써 화합물 박막을 형성하는 데 주로 사용됨. - DC diode, FR diode, triode, magnetron 스퍼터링 장치가 반응성 스퍼터링 장치로 이용

반응성 Gas	형성 박막
Oxygen	Al2O3, SiO2, Ta2O5 등
Nitrogen	TiN, TiAlN, Si3N4 등
Methane, Acetylene, Propane을 이용한 탄화물 박막 형성	TiC, WC, SiC 등

 

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다음 시간에는 Arc Ion Plating 방식의 코팅(로) 원리를 살펴보겠습니다. 

그럼 20000~

 

 

 

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