제2장 진공 증착 기술 부산대학교 재료공학부

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진공증착 기술: 코팅막 형성 및 특성평가
조영래 교수
부산대학교 재료공학과
[email protected]
부산대학교 재료공학부
계면공학연구실
제2장 진공 증착 기술
 Paschen curve 유도시 사용된 DC전원 평형 전극구조를 보여주는 개략도
Ar ==== Ar+ + e
전기장
타겟
기판
이온화율: 0.1% 정도
대부분의 입자는 중성 원자
그림 3.18 냉음극방전(cold cathode discharge)의 개략도
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중요
제2장 진공 증착 기술
 State of matter vs. temperature: Plasma의 온도와 Energy
 파장과 에너지의 관계;
 E(eV) = 1234/(nm)
플라즈마의 정의 : 전기전도성을 갖는 높은 에너지를 가
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제2장 진공 증착 기술
5.1 서 론: 증발법은 물리증착(PVD) 공정을 총칭하며 원자나 입자의 이동이 수반됨.
 물리증착 (PVD, physical vapor deposition) : 화학증착(CVD)의 반대 개념
 정 의: 타겟(source) 재료가 화학반응 없이 기판으로 이동 부착되는 공정
 종 류: 타겟에서 기판으로 원자단위로 이동하는것, 미세입자(~ micron)의 이동
 실시예: 증발(evaporation), 스파터링(sputter), 이온플레이팅(ion plating) 등
 박막과 후박의 경계: 막의 두께와 재료의 사용 부분에 따라 구분가능
 두께: ~ 1 m
 사용용도: 표면 물성 사용하면 박막, 벌크물성 사용하면 후막
 일반적인 증착비(deposition rate): 10-3 ~ 75 m / min
 기화에 의한 박막형성의 시초: 진공속에서 금속선 폭발 (1857년 Faraday)
 5장에서 다루어질 주요내용: 증발기술의 이론과 메커니즘, 처리과정, 막의 증착,
고순도 금속제작, 증착층의 미세구조와 그 성질.
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5.2 PVD 공정
5.2.1 서언
 증착과정의 2가지 종류: 미세입자(micro particle) 이동, 원자(atom)의 이동
 미세입자의 이동: 플라즈마 용사(plasma spray), 아크용사, 폭발건 용사
 원자의 이동: 물리증착에서 증발, 이온플레이팅, 스파터링, 및 화학증착, 전착
 입자이동 공정으로 형성된 막의 단점: 코팅층에 기공(void)이 많이 발생함.
5.2.2 PVD 법
 PVD법의 종류: 증발, 스파터링, 이온도금 ( 복합공정 임)
 증발법(evaporation): source재료의 증기화로 막 형성(그림 5.1)
 스파터링(sputtering): 양이온이 source를 때려 나오는 원자들이 막 형성(그림 5.3)
 이온플레이팅(ion plating): 양이온이 기판 때리면서 동시에 증착 진행함(그림 5.2)
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 진공증발 (vacuum evaporation):
 정의: Source  진공중 기화 기판에 증착
 진공증발 장치의 구성:
 진공장치(챔버, 펌프, 게이지)
 Source(원재료)
 Substrate(기판)
 Crucible(도가니)
 Heating source
 각종 치구
 일반적인 반도체 공정조건:
 Source 재료: Cr, Al, Mo 등
 Heating: E-beam, 전기저항 등
 진공도: 10-6 torr
 증착율: 5~20 Å / sec
 기판온도: 상온 ~ 200C
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그림 5.1 진공 증발공정 (전자빔 가열).
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 이온 플레이팅 (ion plating):
(-)
 정의: 증발법+ 플라즈마(기판:cathode)
[참고: 신금속재료학, 제 4편, 제 23장]
 이온플레이팅 장치의 구성:
1) 증발 원
 진공장치(챔버, 펌프, 게이지)
 Source(원재료)
 Substrate(기판)
 Crucible(도가니)
 Heating source
 각종 치구
2) 플라즈마 원
 플라즈마 형성 장치(power supply)
이때 substrate에 negative 전압인가
 장점: 높은 접착강도, 낮은 증착율
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그림 5.2 이온 플레이팅 (ion plating) 공정.
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 스파터링 (Sputtering):
 정의: 방전으로 양의 기체이온(Ar+)생성
 타겟재료에 충격  타겟재료 비산
 비산된 타겟재료가 기판에 증착.
 스파터링 장치의 구성:
 진공장치(챔버, 펌프, 게이지)
 Source(원재료, target)-cathode
 Substrate(기판)
 플라즈마 형성용 고전압 장치
 각종 치구
 일반적인 반도체 공정조건:
 Target 재료: Cr, Al, Mo 등
 인가전압: 1000 V
 진공도: 10-6 torr
 증착율: 10~50 Å / sec
 기판온도: 상온 ~ 200C
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_
+
그림 5.3 기본적인 스파링 공정(sputtering process).
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 증발법에 사용되는 저항가열소스의 예제들 : 증발소스는 반드시 진공챔버내 존재함
Substrate
Source
Vacuum chamber
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5.8 다양한 물질의 증발: 금속, 반도체, 합금, 화합물, 혼합물  순수한 source
 합금의 증착 방법: 여러 개의 소스 사용
 복합 타겟 방식의 예
SnO2
In2O3
 Multilayer deposition ?
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5.8.5 반응성 증발공정: 금속이
반응성 개스의 존재 하에서 증발  증발된
금속이 반응성 개스의 분자와 반응하여 화합물 (예, TiN) 형성.
 실시에:
 스파터법으로 TiN를 형성 시킬때: 타겟 재료 = Pure Ti, 반응성 개스 = N2 사용함.
Ar+의 충돌에 의해서 Ti 원자가 진공으로 튀어나옴  N2 에서 해리된 N와 반응.
즉,
Ti + N  TiN
 증발공정에 의하여 합성된 물질:
탄화물, 탄질화물, 질화물,
산화물, 황화물, 초전도체,
광전기성 물질,
광전자재료,
신물질.
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 박막층 형성의 Thornton 모델 (그림 5-39): 증착 온도와 함께 개스 압력이 중요함.
 Thornton의 수정:
 개스압력:
미세구조에 결정적임.
 천이영역:
완만한 구조변화.
 순 금속:
zone T 없음.
고융점 재료:
 zone 3 잘 안보임.
 개스 압력 증가:
 천이온도 상승함.
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실험 자료 얻기전 확인사항: Sputter 장치의 특성을 완전히 파악후 본
실험을 수행
 Substrate
① Soda-lime glass (5 cm x 5 cm)
 Sputter 공정  먼저, 안정된 플리즈마 형성 조건 확립
① Power : 50 W, 100 W, 150 W
② MFC : 20 sccm
③ Working pressure : [2.0, 4.0, 6.0] x 10-2 torr
④ Target : Cr
α-step 조건
① Length : 5,000 μm
② Speed : Low (37 sec), High (7 sec)
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코 팅 층 / 기 판 부 착 력 측 정 장 치 : scratch test, nanoindentation 법
1. Scratch test
2. Indentation
hardness test
Critical Load & Bonding force measurement
Critical load (Lc) means the minimum
weight of coating delamination occurs. And can
be seen Bonding force between substrate and
coating materials.
Bonding force, in other words adhesion
is the tendency of dissimilar particles and
surface to cling to one another.
1. Setting
scratch test condition and installing tips to device.
2. Run the scratch test program to measure critical load (Lc).
3. Confirm the delamination of the substrate through OM (Optical Microscope).
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How to measure the critical load(Lc): 박리시작
하중
Causing
delamination
(Delamination length / Scratch length) x Normal load = Critical load (N)
Detected delamination part by ultrasonic when the delamination occurs.
 Reference by acoustic emission.
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폴리머기판에 금속코팅막 시편의 부착력
측정법
1. 접착성 테이퍼 방법: 시편에 3M 테이퍼를 균일하게 부착후
특정
공기압으로 부착한다.
2. 이어서 180도 휘어서 3M 테이퍼를 벗길때 필요한 하중
측정
코팅층
3M 테이프
Force(N)
기판
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숙제
1. 진공에서 박막코팅 공정시 PVD와 CVD를 정의하고,
PVD와 CVD의 장,단점에 대해 설명하세요.
2. 기판에 박막의 코팅시, 기판과 박막 사이의 본딩강도는
매우 중요하다. 본딩강도(adhesion strength)를 측정하는
방법에 대해서 3가지 이상 찾아 설명하시오.
3. 박막의 코팅시 중요한 인자는 기판과 박막의 열팽창계수
차이가 있다. 반도체 제조공정에서 재료의 열팽창계수 차이
때문에 생기는 문제점에 대해 설명하시오.
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