스퍼터링 증착기술(Sputtering Deposition)

소개글

스퍼터링 증착기술(Sputtering Deposition)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. Basic aspects of sputtering

2. Sputtering techniques

3. Plasma characteristic and ion bombardment

4. Process control

5. Application of sputtered hard coatings

6. Industrial coating systems

7. Future trends

본문내용

은 에너지 영역을 사용한다.
- 이온과 표면의 상호 작용의 여러 type
plasma process와 비교하여, 전형적 에너지와 등가 유속 밀도 구역에 의해 정의됨
Figure . Kinetic energy ranges and equivalent flux densities of incident ions for several types of processes. Noted along the x-axis are the kinetic energy ranges for several important ion-surface and vapour-surface interactions
(6) 이온 충돌의 두 가지 범주
① 낮은 기판 온도(T< 0.3Tm)에서 high energy ion 충돌
a) coating 특성에 해롭고, resputtering 발생, cascade형성, gas atom과 불순물 포함
b) vacancy같은 점 결함이 표면 아래 형성되어 잔류 응력 증가, 전위 생성, void 생성
c) 기판에서 구성요소의 sputtering yield가 다양해져 non-stoichiometric 막을 형성한다.
d) 증착전에 기판 cleaning을 위해 고에너지 이온들이 자주 이용된다.
→ 이 때 결함을 발생시키는 과잉의 이온 충돌을 피해야 한다.
② low energy(500V이하) ion 충돌
a) adatom 이동도 증가
b) 약하게 흡수된 표면 원자 방출
c) sticking 계수 증가
d) nucleation 양태 변화
→ 이들은 막의 물리적 구조 변화에 의해 관찰됨
※ 대부분의 sputtering 공정에서 이온 충돌 효과는 저 에너지 이온(200V 이하)에 의한 것이 주 관심사이다.
(7) bias potential 함수에 따른 증착속도, 이온 전류밀도, 이온 대 Ti원자비, resputtering속도의 다양성
① 이온 전류 밀도(그림 b) : 매우 급격히 증가하다가 Vs가 -100∼-500V 사이에서 0.6∼0.8mA/cm2에서 유지
② 보통의 magnetron - 증착된 atom 당 0.3∼0.4 이온의 이온 충돌 유속
③ unbalanced magnetron
a) 기판의 이온 전류 밀도가 15mA/cm2이상으로 증가
b) 낮은 기판 bias와 온도에서 거의 void가 없는 막 생성 가능
c) grain 내의 결함 집중 감소, 막 내부 응력 감소
Figure . Results for a series of TiN films deposited at 300℃ under various substrate bias voltages(Vs). (a) Growth rate vs. bias. (b) Ion current density vs. bias. (c) Ion-to-Ti-atom ratio vs. bias. (d) Resputtering rate vs. bias
5. Process control
(1) gas flow 의 함수로 negative gas의 부분압 측정
→ TiN의 reactive sputtering에 대해 hysteresis loop가 얻어짐
Figure . Nitrogen partial pressure vs. reactive gas flow in a mixed Ar-N2 discharge under mass flow control, at a target power of 10kW
·gas flow가 너무 높으면 target에서의 반응 때문에 sputtering rate가 낮아지고 증착속도도 낮아진다.
·화학량론적 TiN은 B점 근처 조건에서 얻어진다.
→수동적으로 gas flow를 pulsing하여 이 상태를 유지하기는 어렵고 천천히 pulsing해 주는 경우 완전한 hysteresis가 각각의 pulse로 이동된다.
(2) reactive gas flow의 함수에 따른 증착속도의 조사
Figure . Deposition rate vs. flow hysteresis behaviour for TiN, deposition at a target power of 10 kW in a mixed Ar-N2 discharge
·gas flow의 적은 증가 → 증착속도의 많은 감소 → target 앞에서의 반응성 종의 빠른 부분압 증가
·입력 전류와 전압을 조정하여 target의 power를 일정하게 유지시킨다.
6. Application of sputtered hard coatings
(1) Hard coating on cutting tools
·냉간 가공된 강, Cr 강, 회주철의 코팅하지 않은 드릴과 TiN으로 코팅한 것, Ti0.5Al0.5N으로 코팅된 것을 비교
·(Ti,Al)N으로 코팅된 도구는 ion plating법으로 코팅한 것과 거의 수명이 비슷하면서도 내 산화성과 내마모성이 좋다.
Figure . Flank wear of uncoated, TiN coated, and (Ti,Al)N coated punching tools
(2) Sputtered decorative coatings
① TiN계는 장식용 코팅으로 많이 쓰이고 있다.
② 막의 빛깔은 기체 조성을 바꿈으로서 변화한다.
→ 탄소 함유 기체를 첨가, 다원계 target을 사용
③ TiZr이나 TiHf 합금 기판
a) TiN보다 훨씬 빛나는 금빛 → 장식효과
b) flux에 산소를 첨가하면 다른 색이 나타남
c) 내마모성과 내부식성도 양호
7. Industrial coating systems
(1) magnetron-sputtered hard coating
·치밀한 조직을 가짐에도 불구하고 높은 응력을 받고 있다.
·복잡한 형상의 코팅이 어렵다.
·산업적 이용이 낮다.
(2) magnetron cathode를 짝으로 설치하여 회전하지 않고 복잡한 부분도 효과적으로 코팅
다양한 코팅 단계의 효율성을 높이기 위해 다중 target과 chamber를 사용하여 높은 생 산성 가능
8. Future trends
(1) 다중 층 막의 증착 가능
(2) 다양한 빛깔의 장식 코팅 가능
(3) 다른 분야의 코팅 처리와 결합하여 이용
(4) 특히 unbalanced magnetron이 미래의 큰 역할을 할 것으로 기대

키워드

sputtering,   스퍼터링,   deposition,   증착,   thin film,   박막,   RF,   DC