건(Gun)의 내부 모습과 관리

 

   건(Gun)과 타겟(Target) 이야기(http://marriott.tistory.com/100)를 했을때, 이거까지 하기엔 뭔가 이야기가 난잡-_-해지는거 같아 뺐던 내용입니다. 어차피 추가적인 이야기를 하고 있으니 지금서야 또 꺼내들었습니다. 사실 이렇게 빼놓은게 한두개는 아니지만 짧아서 하나의 게시물로 올리기엔 부족한 것 들도 많군요. 우햐튼..;;  역시 오늘도 간단히. 간단히 갑니다. ;;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   사진부터 보시겠습니다. 건(Gun)은 분해해 보면 구조가 대단히 간단하다는 말을 했었습니다. 정말 그런지 진짜 분해해 봅시다. 위 처럼 생긴 건을 분해하면..

 

 

 

 

 

 

 

 

  그냥 이렇게 됩니다. 이게 끝입니다. 무지 간단하죠;; 오른쪽부터 순서대로 쉴드(shield), Cu plate 위에 타겟이 올라가 있고, 건 내부에 마그네트론 장착부와 전원이 연결되는 부분 입니다. 하얀부분은 절연된 부분이죠. 그리고 맨 왼쪽은 챔버와 고정시키는 홀더부가 되겠습니다. 노란 선 2개는 냉각수의 in 과 out 이고, 검은 선이 전원선 입니다. 보통 동축케이블을 사용하죠.

 

 

   본래 건 자체는 기계적 작동을 하는 부분이 아니라서 고장날 염려는 없는 부분이지만, 이게 수명이 있을 수 있습니다. 바로 마그네트(영구자석)를 장착했을 경우입니다. 마그네트가 장착된 건은 원형의 자기장이 형성되고, 자기장에 전자가 포획되어 이온화율을 높여 그 부분에 스퍼터링을 집중시킵니다. 그래서 타겟에 스퍼터링 집중 부분인 erosion area가 원형으로 나타나게 됩니다. 다음 사진처럼 말이죠..

 

 

 

 

   위 사진에서 보시는 타겟의 erosion area는 꽤나 많이 진행된 상태입니다. 타겟의 사용이 한도를 넘었다는 뜻 이죠. 그래서 노쥴도 많이 발생해있고, 크랙도 여기저기 나있습니다. 그러나 이런 문제는 그냥 타겟만 새것으로 교체하면 될 뿐입니다. 문제랄 것도 없습니다. 

 

   건의 진짜 문제는 알지못하는 사이에 나타납니다. 말씀드렸듯이 건 내부에는 영구자석이 설치되어 있습니다. 그런데 오랜 시간 건을 사용하다보면 이 자석의 자장이 약화됩니다. 일반적으로 건에 장착하는 영구자석은 자력이 제일 강하다고 하는 Nd(Nd-Fe-B) 자석을 사용하는데, 이 Nd 자석의 단점중 하나는 열에 약하다는 겁니다. 온도가 수백도 정도로 올라가게 되면 자력이 급격히 약화됩니다. 그리고 또다른 단점은 부식에 약하다는 것 입니다. 때문에 Nd 자석 표면에 부식방지 코팅(도금)을 해서 쓰곤 하는데, 이 코팅은 Ni-Cu-Ni 의 3중으로 되어있습니다. 우리가 흔히 보는 Nd 자석은 스테인리스스틸 같은 반짝이는 은색 광택을 갖고있는데, 이것은 Nd의 색이 아니라 바로 부식방지 코팅층의 색입니다. 그런데, 건 내부는 Nd 자석에 대단히 열악한 환경을 제공하고 있습니다. 스퍼터링시 증가하는 타겟 온도 때문에 자석에 지속적으로 열이 전달되고, 영구자석 사이로는 항상 냉각수가 흘러서 언제나 부식의 위험을 갖고 있게되죠. 만약 어쩌다 냉각수가 끊겨서 자석의 온도가 올라가게 되면 바로 자력이 급격히 감소하게 됩니다. 심한 경우, 자석이 열팽창 되면서 외부 부식방지 코팅이 깨지거나 벗겨나갈 수 있고, 그럼 자석은 냉각수에 직접 노출되며 부식되고 파괴되겠죠. 그 이유 때문에 냉각수의 수질이나 온도도 언제나 철저하게 관리해야 하고, 자동차 냉각수 처럼 부식을 가능한 억제할 수 있는 용액을 섞어서 순환시키는 경우도 있습니다.

 

    연구자는 자신이 사용하는 스퍼터에서 플라즈마의 상태를 언제나 확인해야할 필요가 있습니다. 자력이 약화되면 전자를 가둬들이지 못하게 되어 erosion area 위에 원형으로 나타나는 플라즈마 링의 크기나 선명도, 전체적인 플라즈마의 모양이 변화하고 이온화가 줄어들며 증착율에 영향을 줍니다. 뭔가 변화한듯 하다 싶으면 바로 건을 꺼내서 확인할 각오를 하고 있어야 합니다. 그런데 자석이 부식되거나 자력이 약해지는것이 어느 한순간 갑자기, 그리고 눈에 띌 정도로 크게 나타나는 것이 아니라 대부분은 서서히 진행되고, 또 완전히 자력이 사라지는게 아니라 어느정도 진행되면 멈추곤 하기 때문에, 플라즈마의 변형을 못느낄 경우가 있습니다. 그렇게 성능이 하락했지만 알지 못하고 계속 쓰는 경우도 상당히 많죠. 그럼 그렇게 오래써서 자석이 파괴된 건 내부는 과연 어떨까요. 바로 이렇습니다. ㅠㅠ 

 

 

 

 

파괴된거 말고 멀쩡한것도 찍을렸는데, 그건 챔버에서 뜯어내기가 너무 귀찮았다 -_ - 

 

 

 오른쪽은 Cu plate 의 안쪽 입니다. 자석과 닿았던 부분이죠. 그리고 왼쪽의 건 내부에 뭔가 처절하게 보이는 것들이 파괴된 Nd 자석 입니다. ;ㅁ; 여기를 좀더 확대해 보면...

 

 

 

 

 

 

왼쪽 : 처음엔 이랬던 것이....  

오른쪽 : 생각없이 쓰다보면 이렇게 된다..

 

 

  중심부에 자석이 있고, 주변부로 원형으로 자석이 위치해 있는데, 형체를 알아볼 수 없을 정도로 부식이 진행되고 파괴되어 있습니다. 내부에 작은 구멍 2개는 냉각수의 in 과 out 이죠. 겨우 숨구멍만 남아있을 정도군요;; 저러니 냉각이 될리도 없습니다. 자석이 부서지면서 냉각효율이 떨어지고, 냉각효율이 떨어지면서 자석의 파괴는 더 빨리 진행되는 악순환이 발생합니다.

 

 

 

  위 사진은 또 다른 건의 내부 인데요, 부식상태는 그나마 조금 나아 보입니다만, 자석에 커다랗게 크랙이 발생해 있는것을 확인할 수 있습니다. 심한 열변형과 크랙으로 인해 뒤틀림이 발생했고, 자력손실과 자기력선의 변형이 와서 사용불능이죠. 

 

 

  건 내부의 자석은 때되면 교체해줘야 하는 소모품입니다. 그런데 생각외로 많은 경우에 타겟만 교체하고 건은 계속해서 사용하곤 합니다. 마그네트론의 역할은 전자를 모아 이온화를 높이기 때문에 그냥 DC 보다 더 낮은 전압에서 방전이 가능하다는 장점이 있습니다. 그래서 자석이 파괴되어 자력이 거의 없어지게 되면 방전 자체도 힘들어 집니다. 그러면서 대체 왜 방전이 잘 안되는지, 증착효율이 왜 감소했는지 엄한곳에서 죽어라 원인을 찾는걸 간혹 봅니다. 자력이 얼마나 남아있는지 정도는 간단한 자력측정기(가우스메터)만 있어도 되니까 가끔 측정해봐서 얼마나 유지가 되는가 확인해봐도 좋습니다. 숙달되면 드라이버 접촉했다가 떼어봐도 어느정도인지 감이 옵니다만.. -_ - 장비가 최상의 성능을 유지하는 것은, 단순히 장비를 잘 만드는데 있지는 않습니다. 그 장비를 다루는 연구자가 얼마나 장비를 잘 이해하고 지속적으로 관리하며 신경을 쓰고 있느냐에 달려있습니다. 

 

 

 

 

 

 

 

...by 개날연..

 

 

 

 

 

간만에 업데이트 -_ -

뭔가 다른 할일들이 많이 쌓여있지만..

날씨가 따뜻해지니 또 여기저기 나가고 싶어진다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

글 : 개날라리연구원
그림 : 개날라리연구원
업로드 : 개날라리연구원
발행한곳 : 개날라리연구소

 

 

 

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