PVD 증착 코팅 방법에서 스퍼터링 (Sputtering) 코팅 방법을 많이 사용합니다. 코팅 공정에 대해서 쉽게 이해할 수 있도록 설명하도록 하겠습니다.
스퍼터링이란
스퍼터링 공법은 PVD (물리적 기상 증착)에 속하는 공법으로 방전을 유도에 얻어진 이온을 고체 원료 물질에 충돌시켜 원료 원자를 추출하고 이를 제품에 코팅하는 공법입니다. 고체 원료 물질에 이온을 충돌시켜 원자가 축출되는 현상을 스퍼터링 현상이라고 합니다. 이현 상으로 이용하여 코팅을 진행하기 때문에 스퍼터링 공법이라고 부릅니다.
증착 코팅의 종류 및 구분에 대해서 자세히 알고 싶은 분들은 아래 포스팅 참고하시기 바랍니다.
공정 순서
- 챔버 펌핑
- 진공 챔버 속에서, 타겟 (코팅 원료)에 전압 (마이너스)를 인가
- 챔버에 아르곤 (Ar) 가스를 주입
- 타켓 표면의 방전에 의해 아르곤 가스 이온화 (플라즈마 생성)
- 아르곤 이온이 타겟 표면에 충돌 → 타겟 물질이 이온 또는 원자로 방출 (스퍼터링 현상)
- 제품에 바이어스 (마이너스)를 인가
- 타켓 물질에서 나온 원자가 제품으로 증착
※ 타겟: 고체 코팅 소스 (원재료)를 타겟으라고 명칭함.
※ 플라즈마: 플라즈마는 제 4상으로 고체를 가열하면 액체, 더 가열하면 기체, 기체를 더 가열하면 플라즈마 (Plasma)가 됩니다. 플라즈마의 정의는 전자와 양전하를 뛰는 이온이 분리된 상태를 이야기합니다. (출처: 정비공토니-플라즈마란, 우리 생활속에 어떻게 사용할까?)
아르곤 (Ar) 가스를 스퍼터링 공정에 사용하는 이유
스퍼터링 코팅 공정에서 일반적으로 아르곤 가스를 많이 사용합니다. 아르곤 가스의 원자 번호는 18번으로 18족 원소입니다. 18족에 속하기 때문에 비활성 기체이며 지구 대기의 약 0.934%를 차지하며, 비활성 가스 중에서 가장 흔한 기체입니다. 공정에서 아르곤 가스를 이용하여 스퍼터링 현상을 만드는 이유는 비활성 가스이기 때문에 다른 원소와 반응을 하지 않고, 비활성 가스 중에서 가장 저렴하기 때문입니다. 이런 이유로 거의 모든 기업에서 아르곤 가스를 이용하여 코팅을 합니다.
아르곤 가스 주의 사항
아르곤 가스 자체는 독성이 없기 때문에 위험하지 않은 가스로 분류됩니다. 하지만 공기보다 무겁기 때문에, 바닥에 가라앉는 특성이 있습니다. 밀폐된 공간에서 아르곤 가스 누출 시 산소 결핍으로 질식을 유발할 수 있으니 이점은 주의해야 합니다.
스퍼터링 공법의 장단점
장점
- 고순도 금속 타겟을 이용하여 코팅을 하기 때문에 높은 순도의 박막을 얻을 수 있습니다.
- 직접 고체로 증착하기 때문에 모재와 박막의 밀착력이 좋습니다.
- 박막의 두께와 조성을 정밀하게 제어할 수 있습니다.
- 화학적인 용매나 유해 물질을 사용하지 않기 때문에 매우 친환경적인 공정입니다. (도금의 경우 유해물질이 많아 나오기 때문에 스퍼터링 공정으로 많이 변경되고 있습니다.)
단점
- 이온화율이 낮기 때문에 증착 속도가 매우 느립니다.
- 원료 타겟과 제품 사이의 직선 경로로 이동하기 때문에 형상이 복잡한 제품에는 코팅이 잘 안될 수 있습니다.
- 코팅 속도는 느리고, 원료 소스는 비싼 편이기 때문에 코팅 비용이 비쌉니다.