증착장치란?
증착장치는 감압하에서 물질을 기화시켜 대상물 위에 제막하는 진공증착(VD)을 하는 장치입니다.
증착장치를 사용하면 대상물 위에 매끄러운 도막을 형성할 수 있으며, 그 막의 두께와 조성을 제어할 수 있습니다.
증착장치의 사용 용도
증착장치에서는 알루미늄과 같은 금속 재료나 유무기 재료 등 다양한 재료의 성막이 가능합니다.
증착 장치는 다음과 같은 용도로 활용됩니다.
- 광학 박막 (렌즈의 반사방지막, 특수 거울 등)
- 자기 테이프 (오디오 테이프, 비디오 테이프 등)
- 반도체 (OLED, LED, 태양광 전지 등)
- 전자부품 (저항, 커패시터, 반도체 집적회로 등)
- 식품 포장재 (과자 등의 봉지에 사용되는 알루미늄 증착 필름 등)
- 분석 용도 (시료 준비)
증착장치의 원리
그림 1. 증착장치의 원리 이미지와 액상 성장법
로터리 펌프나 터보 분자 펌프 등으로 챔버 내부를 감압상태로 만들어 증착하고자 하는 물질을 기화시켜 멀리 떨어진 위치에 있는 대상물 위에 증착시킵니다. 감압상태로 만들면 챔버 내 불순물을 제거하여 기화된 물질의 확산성이 향상되어 밀착성이 좋고 매끄러운 막을 제작할 수 있습니다.
물질의 표면에 제막하는 방법으로 도금이 유명하지만, 도금 등은 액상에서 원료가 공급되는 반면, 증착은 기체상에서 원료가 공급된다는 차이가 있습니다.
증착장치의 종류
증착 장치에 사용되는 증착 방법에는 물질을 기화시키는 방법에 따라 물리 기상 성장법(또는 물리 증착, 영문: Physical Vapor Deposition, PVD)과 화학 기상 성장법(또는 화학 증착, 영문: Chemical Vapor Deposition, CVD)의 두 가지로 나뉩니다.
1. 물리 기상 성장법 (PVD)
그림 2. 물리 기상 성장법 및 주요 종류
물리 기상 성장법은 가열 등의 물리적 방법으로 증착 물질의 기화, 승화 등을 일으켜 제막하는 방법있습니다. 가열 방법은 전자빔, 저항가열, 고주파 유도, 레이저 등이 있습니다.
- 전자빔 가열
내화물 등의 도가니에 담긴 증착 재료에 전자빔을 조사하여 기화시킵니다. 전자빔은 에너지가 높고 융점이 높은 재료에도 적용할 수 있습니다. - 저항 가열
텅스텐 등의 저항에 전류를 흘려 발열시키고 그 위에 증착 재료를 올려놓으면 증착 재료가 가열되어 기화됩니다. 상대적으로 온도 상승이 어렵기 때문에 융점이 낮은 재료에 적합합니다. - 고주파 유도 가열
코일을 감은 도가니에 증착 재료를 넣고 코일에 고주파 전류를 흘려 강력한 자기장을 발생시켜 그 자기장에 의한 전류와 전열 저항에 의한 발열로 빠르게 온도를 상승시켜 막 재료를 기화시킵니다. - 레이저 가열
증착 재료에 레이저를 조사하여 높은 에너지를 공급하여 증착 재료를 기화시킵니다.
또한, 플라즈마나 분자선 등을 이용한 방법도 물리 기상 성장법 중 하나입니다.
- 분자선 에피택시 (MBE)
초고진공 하에서 진공증착을 하면 기화된 분자가 진행 방향을 맞춰 직진하기 때문에 막의 두께, 조성 등을 보다 정밀하게 제어할 수 있는 방법입니다. 성장 속도가 느리고 고진공이 필요하기 때문에 장비의 대형화에 불리하며, 대량 생산에 취약합니다. - 스퍼터링
진공 중에 아르곤과 같은 불활성 가스를 주입하고 전극에 전압을 가해 글로우 방전을 일으키면, 플라즈마화된 아르곤이 음극을 향해 충돌하면서 음극 위의 원자나 분자 등을 튕겨냅니다. 이때 증착 대상물을 양극 위에 설치하면 튕겨져 나온 원자들이 표면에 증착됩니다. 이온화 방법으로는 직류전압(DC), 고주파 교류전압(RF-AC), 마그네트론, 이온빔 등이 있습니다.
2. 화학기상증착법(CVD)
그림 3. 화학 기상 성장법 및 주요 종류
화학기상증착법은 화학반응 등의 화학적 방법으로 증착물질을 증착 대상물 위에 증착시켜 제막하는 방법입니다. 대표적으로 열 CVD, 광 CVD, 플라즈마 CVD, 유기금속 CVD, 원자층 성장(ALD) 등이 있습니다.
- 열 CVD
저항가열로를 이용해 고온을 만들고, 여기에 원료 가스를 흘려보내 화학반응을 일으켜 박막을 형성하는 방식입니다. 비교적 균일한 두께의 박막을 만들 수 있습니다. - 광 CVD
자외선 램프나 레이저 광을 이용하여 저온 공정으로 화학반응을 일으켜 박막 형성을 하는 방법입니다. 이온 발생이 없어 기판 손상이 적습니다. - 플라즈마 CVD
원료를 플라즈마화하여 반응성을 높이고, 증착 대상 위에서 반응을 일으켜 제막하는 방법입니다. 저온에서 박막을 형성하기 때문에 고품질의 성막이 가능합니다. 단, 장비가 고가이며, 유지보수 등에 어려움이 있습니다. - 유기금속 CVD
증착하고자 하는 금속의 전구체인 유기금속을 원료로 사용하여 증착 대상 위에서 반응에 의해 금속으로 변화하여 금속 박막을 형성할 수 있는 방법입니다. 박막 두께를 정밀하게 제어하면서 고속으로 제막할 수 있어 LED 등의 대량 생산에 사용되고 있습니다. - 원자층 성장 (ALD)
여러 종류의 원료를 한 종류씩 증착, 교체함으로써 원료가 정해진 위치에서 자기 제어적으로 반응하여 제어된 구조, 두께의 박막을 형성할 수 있는 방식입니다.
이 외에도 다양한 방식의 증착장치가 개발, 판매되고 있습니다. 용도에 따라 적합한 장비를 선택해야 합니다.