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물리기상증착
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물리기상증착(physical vapor deposition, PVD) 또는 물리증기수송(physical vapor transport, PVT)은 금속, 세라믹, 유리, 고분자를 포함한 기판에 박막과 코팅을 만드는 데 사용될 수 있는 다양한 진공 증착 방법을 설명한다. PVD는 응축상에서 증기상으로, 그리고 다시 박막 응축상으로 재료가 전이되는 과정을 특징으로 한다. 가장 일반적인 PVD 공정은 스퍼터 증착과 증발이다. PVD는 광학, 기계, 전기, 음향 또는 화학적 기능을 위해 박막이 필요한 품목 제조에 사용된다. 예를 들어 박막 태양 전지와 같은 반도체 장치,[1] 박막 벌크 음향 공진기와 같은 미세전자기계 장치, 식품 포장 및 풍선용 알루미늄 PET 필름,[2] 그리고 금속가공용 질화 타이타늄 코팅 절삭공구 등이 있다. 제조용 PVD 도구 외에도 주로 과학적 목적으로 사용되는 특수 소형 도구들이 개발되었다.[3]
소스 재료는 부품을 고정하는 데 사용되는 설비를 포함하여 진공 챔버 내부의 대부분 다른 표면에도 불가피하게 증착된다. 이를 오버슈트(overshoot)라고 한다.
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예시
- 음극 아크 퇴적물: 타겟(소스) 재료에 고출력 전기 아크가 방전되어 일부가 고도로 이온화된 증기로 분출되어 공작물에 증착된다.
- 전자빔 물리기상증착: 증착될 재료가 "고"진공에서 전자 충격에 의해 높은 증기압으로 가열되고 확산을 통해 (더 차가운) 공작물에 응축되어 증착된다.
- 증발 증착: 증착될 재료가 "고"진공에서 전기 저항 가열에 의해 높은 증기압으로 가열된다.[4][5]
- 근접 승화(Close-space sublimation): 재료와 기판을 서로 가깝게 배치하고 복사열로 가열한다.
- 펄스 레이저 증착: 고출력 레이저가 타겟에서 재료를 증기로 제거한다.
- 열 레이저 에피택시: 연속파 레이저가 개별적인 독립형 원소 소스를 증발시키고, 이들이 기판 위에 응축된다.
- 스퍼터 증착: 글로우 플라스마 방전(보통 자석에 의해 "타겟" 주변에 국소화됨)이 재료를 충격하여 일부를 증기로 스퍼터링하여 후속 증착을 유도한다.
- 펄스 전자 증착: 고에너지 펄스 전자빔이 비평형 조건에서 타겟에서 재료를 제거하여 플라스마 흐름을 생성한다.
- 승화 샌드위치 방법: 인공 결정(탄화 규소, SiC) 성장에 사용된다.
측정 및 테스트
다양한 박막 특성화 기술을 사용하여 PVD 코팅의 물리적 특성을 측정할 수 있다. 예를 들면 다음과 같다.
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다른 증착 기술과의 비교
장점
- PVD 코팅은 때때로 전기도금 공정으로 적용된 코팅보다 더 단단하고 부식에 강하다. 대부분의 코팅은 높은 온도와 우수한 충격 강도, 탁월한 내마모성을 가지며 매우 내구성이 강하여 보호용 상도 코팅이 거의 필요하지 않다.
- PVD 코팅은 다양한 마감재를 사용하여 거의 모든 종류의 무기 및 일부 유기 코팅 재료를 동등하게 다양한 기판 및 표면에 활용할 수 있는 능력을 가지고 있다.
- PVD 공정은 전기도금 및 도장과 같은 전통적인 코팅 공정보다 환경 친화적인 경우가 많다.[7]
- 특정 박막을 증착하는 데 한 가지 이상의 기술을 사용할 수 있다.
- PVD는 화학 기상 증착(CVD) 및 기타 열 공정에 비해 낮은 온도에서 수행될 수 있다.[8] 이로 인해 손상이나 변형을 일으키지 않고 플라스틱 및 특정 금속과 같은 온도 민감성 기판 코팅에 적합하다.[9]
- PVD 기술은 작은 실험실 설정에서 대규모 산업 시스템까지 확장성이 있어 다양한 생산량과 크기에 유연성을 제공한다. 이러한 확장성은 연구 및 상업적 응용 모두에 접근 가능하게 한다.[8]
단점
- 특정 기술은 제약을 부과할 수 있다. 예를 들어, 시선 전송은 대부분의 PVD 코팅 기술의 일반적인 특징이지만, 일부 방법은 복잡한 형상을 완전히 덮을 수 있다.
- 일부 PVD 기술은 고온 및 진공에서 작동하므로 작업자가 특별한 주의를 기울여야 하며 때로는 많은 열 부하를 소산하기 위해 냉각수 시스템이 필요할 수 있다.
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응용 분야
요약
관점
이방성 유리
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PVD는 유기 반도체용 저분자량의 이방성 유리를 만드는 데 적용될 수 있다.[10] 이러한 유형의 유리 형성을 가능하게 하는 데 필요한 매개변수는 유리의 자유 표면에서의 분자 이동성과 이방성 구조이다.[10] 폴리머의 구성은 중요하며, 첨가된 분자들이 증착을 통해 재료를 묻기 전에 더 낮은 에너지 상태에 위치해야 한다. 구조에 분자를 추가하는 이 과정은 평형을 이루고 질량을 얻으며 부피를 늘려 더 큰 운동 안정성을 갖게 된다.[10] PVD를 통한 분자의 패킹은 페이스 온(face-on) 방식, 즉 긴 꼬리 부분이 아닌 방식으로 이루어지며, 이는 파이 오비탈의 추가적인 중첩을 허용하여 첨가된 분자 및 결합의 안정성을 증가시킨다. 이러한 첨가 재료의 방향은 분자가 증착되거나 추출될 때의 온도에 주로 의존한다.[10] 분자의 평형은 유리에 이방성 특성을 부여하는 요소이다. 이러한 유리의 이방성은 높은 전하 캐리어 이동도를 허용하므로 가치가 있다.[10] 유리가 결정 이상의 추가적인 이점(예: 균질성 및 조성의 유연성)을 제공한다는 사실 때문에 이방성 방식으로 유리를 패킹하는 이 과정은 다용성 면에서 가치가 있다.
장식용 응용
공정의 조성과 지속 시간을 변경하여 스테인리스 스틸에 PVD로 다양한 색상을 만들 수 있다. 결과적으로 생성된 컬러 스테인리스 스틸 제품은 황동, 청동 및 기타 금속 또는 합금처럼 보일 수 있다. 이 PVD 컬러 스테인리스 스틸은 뉴욕시의 베슬 조각품과 상하이의 와이탄과 같은 건물 및 구조물의 외장 클래딩으로 사용될 수 있다. 또한 내부 하드웨어, 패널링 및 고정 장치에도 사용되며, 아이폰 및 애플 워치의 스페이스 그레이 및 골드 마감과 같은 일부 소비자 전자 제품에도 사용된다.[11][12]
절삭공구
PVD는 강철 절삭공구 표면의 내마모성을 향상시키고 공구와 공작물 사이의 접착 및 달라붙음 위험을 줄이는 데 사용된다. 여기에는 금속가공 또는 플라스틱 사출 성형에 사용되는 도구가 포함된다.[13](p. 2) 코팅은 일반적으로 4 μm 미만의 얇은 세라믹 층으로, 매우 높은 굳기와 낮은 마찰을 가진다. 취성을 피하기 위해 코팅의 치수 안정성을 보장하려면 공작물의 높은 경도가 필요하다. PVD를 강철의 플라스마 질화 처리와 결합하여 코팅의 하중 지지 능력을 증가시키는 것이 가능하다.[13] 질화 크로뮴(CrN), 질화 타이타늄(TiN) 및 탄질화 타이타늄(TiCN)은 플라스틱 성형 다이에 PVD 코팅용으로 사용될 수 있다.[13]
기타 응용 분야
PVD 코팅은 일반적으로 굳기를 향상시키고 내마모성을 높이며 산화를 방지하는 데 사용된다. 또한 미적 목적으로도 사용될 수 있다. 따라서 이러한 코팅은 다음과 같은 광범위한 응용 분야에 사용된다.
같이 보기
- HPCVD
- 화학기상증착
- 이온 도금
- 박막 증착 – 재료의 얇은 층 증착
- 이온빔 보조 증착
각주
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외부 링크
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