박막형성법의 종류 #3. 이온플레이팅(Ion Plating)

 

   진공증착 같은 경우는 소스를 가열하여 증발시키기 때문에 기판에 도달된 증착입자의 운동에너지는 열속도의 크기가 된다. 때문에 증착입자의 운동에너지를 크게 할 수가 없었다. 물론 진공도를 더욱 크게 하면 증발 속도를 높여 에너지를 약간은 높일 수 있으나, 어차피 이것은 구조적인 한계를 갖고 있다. 이런 문제를 해결하고자 증발된 입자에 열속도보다  훨씬 큰 에너지로 가속된 이온을 같이 포함시켜 박막을 형성하는 방법이 이온플레이팅(Ion Plating)이다.

그림. 일반적인 이온플레이팅 시스템
기본적으로 진공증착과 같다. 단, 기판에 (-)를 걸어주고 플라즈마를 발생시킨다고 보면 된다.

그림. 이온플레이팅에서 플라즈마의 역할.
기판에 (-)가 걸려있기 때문에 기판뒤쪽도 약간 증착이 되긴 한다. 그냥 쓸수있는 정도는 아니고..
(드디어 또 등장한 파워포인트 그림질;; 좀 편하게 그릴수 있는거 없을까..;)

   이온 플레이팅은 생성된 증착 원자 또는 분자의 일부를 이온화시키고 전기장 속에서 가속하여 고 에너지 상태를 만들고 이를 진공중에 놓여진 기판에 흡착시켜 박막을 형성하는 방법이다. 증착 입자는 일단 진공증착에서 사용하는 가열법이나 전자빔 증착법의 전자선 등에 의해서 증발된다. 이렇게 생성된 증발입자들중 일부는 증발원과 기판사이에 형성된 비활성가스나 반응성 가스의 플라즈마 또는 전자빔에 의하여 이온화 상태가 된다. 이온화된 증발 입자들은 플라즈마 내 Ar 양이온과 함께 기판에 걸린 음전위에 이끌려 기판쪽으로 가속되고 매우 큰 에너지를 가진 상태에서 충돌하면서 박막을 형성하게 된다. 이렇게 큰 에너지를 가진 입자는 박막 내부에서 이동이 용이하기 때문에 매우 치밀하고 물성이 우수한 박막을 형성하게 된다. 
  
  위 과정에서 이온화 되지 않은 증발 입자는 진공증착과 마찬가지로 그대로 기판 표면에 증착된다. 그렇다면 진공증착과 똑같은 물성의 증착층이 이루어 질것이지만, 사실상 그렇지 않다. 증착층 위로 앞에서 설명한 Ar 과 이온화 된 입자들이 고속으로 충돌하기 때문이다. 이러한 이온충돌 효과는 박막 표면을 활성화 시킬 수 있고, 증착층이 기판 내부로 침투되도록 확산을 발생시켜 밀착력이 매우 높아진다. 또한 충돌 에너지가 증착입자들을 휘저어(Mixing) 치밀하고 강도 높은 박막을  만들 수 있다. 때문에 재료의 표면경화에 매우 효과적으로 작용하여 드릴날이나 톱날같은 공구강의 내마모 코팅등에는 이온플레이팅이 주로 사용되고 있다.

...by 개날연..