HiPIMS 기술 소개

고출력 펄스 마그네트론 스퍼터링의 1번 원리
고출력 펄스 마그네트론 스퍼터링 기술은 높은 피크 펄스 전력(기존 마그네트론 스퍼터링보다 2~3배 높음)과 낮은 펄스 듀티 사이클(0.5%~10%)을 이용하여 높은 금속 해리율(>50%)을 달성합니다. 이는 그림 1에 나타낸 마그네트론 스퍼터링 특성에서 비롯됩니다. 여기서 피크 타겟 전류 밀도 I는 방전 전압 U의 n제곱에 지수적으로 비례합니다. 즉, I = kUn (n은 음극 구조, 자기장 및 재료와 관련된 상수). 낮은 전력 밀도(저전압)에서는 n 값이 일반적으로 5~15 범위에 있습니다. 방전 전압이 증가함에 따라 전류 밀도와 전력 밀도가 급격히 증가하고, 고전압에서는 자기장 구속이 상실되어 n 값이 1이 됩니다. 낮은 전력 밀도에서는 가스 방전이 일반적인 펄스 방전 모드의 가스 이온에 의해 결정됩니다. 높은 전력 밀도에서 플라즈마 내 금속 이온의 비율이 증가하고 일부 물질이 스위칭되는 경우, 즉 자가 스퍼터링 모드가 발생합니다. 이 모드에서는 스퍼터링된 중성 입자와 이차 금속 이온의 이온화에 의해 플라즈마가 유지되며, Ar과 같은 불활성 기체 원자는 플라즈마 점화에만 사용됩니다. 이후 스퍼터링된 금속 입자는 타겟 근처에서 이온화되어 자기장과 전기장의 작용으로 가속되어 스퍼터링된 타겟을 다시 충돌함으로써 고전류 방전을 유지하고, 플라즈마는 고도로 이온화된 금속 입자로 구성됩니다. 타겟에 가해지는 열 효과로 인해 스퍼터링 공정에서 타겟의 안정적인 작동을 보장하기 위해서는 타겟에 직접 가해지는 전력 밀도가 너무 높아서는 안 됩니다. 일반적으로 직접 수냉식의 경우 타겟 재료의 열전도율이 25W/cm² 이하이어야 하며, 간접 수냉식, 타겟 재료의 열전도율이 낮은 경우, 열응력으로 인한 타겟 재료의 파쇄, 또는 타겟 재료에 휘발성이 낮은 합금 성분이 포함된 경우 등에서는 전력 밀도가 2~15W/cm² 이하로 제한됩니다. 이는 고출력 밀도 요구 사항에 훨씬 못 미치는 수준입니다. 타겟 과열 문제는 매우 좁은 폭의 고출력 펄스를 사용함으로써 해결할 수 있습니다. Anders는 고출력 펄스 마그네트론 스퍼터링을 피크 전력 밀도가 평균 전력 밀도보다 2~3배 높은 펄스 스퍼터링으로 정의하며, 타겟 이온 스퍼터링이 스퍼터링 공정을 지배하고 타겟 스퍼터링 원자가 고도로 해리되는 특성을 가진다고 설명합니다.

2. 고출력 펄스 마그네트론 스퍼터링 코팅 증착의 특성

고출력 펄스 마그네트론 스퍼터링은 높은 해리율과 높은 이온 에너지를 가진 플라즈마를 생성할 수 있으며, 바이어스 압력을 가하여 하전 이온을 가속시킬 수 있습니다. 코팅 증착 공정은 고에너지 입자의 충격을 받게 되는데, 이는 대표적인 IPVD(입자상 플라즈마 증착) 기술입니다. 이온 에너지와 분포는 코팅 품질 및 성능에 매우 중요한 영향을 미칩니다.
IPVD에 대해, 유명한 Thorton 구조 영역 모델을 기반으로 Anders는 플라즈마 증착과 이온 에칭을 포함하는 구조 영역 모델을 제안했습니다. 이 모델은 Thorton 구조 영역 모델에서 코팅 구조와 온도 및 기압 사이의 관계를 코팅 구조, 온도 및 이온 에너지 사이의 관계로 확장한 것입니다(그림 2 참조). 저에너지 이온 증착 코팅의 경우, 코팅 구조는 Thorton 구조 영역 모델을 따릅니다. 증착 온도가 증가함에 따라 영역 1(느슨한 다공성 섬유 결정)에서 영역 T(조밀한 섬유 결정), 영역 2(기둥형 결정) 및 영역 3(재결정 영역)으로의 전이가 일어납니다. 증착 이온 에너지가 증가함에 따라 영역 1에서 영역 T, 영역 2 및 영역 3으로의 전이 온도가 낮아집니다. 저온에서도 고밀도 섬유 결정과 기둥형 결정을 얻을 수 있습니다. 증착 이온의 에너지가 1~10 eV 정도로 증가하면 증착된 코팅 표면에 대한 이온 충격 및 에칭이 강화되어 코팅 두께가 증가합니다.

3. 고출력 펄스 마그네트론 스퍼터링 기술을 이용한 경질 코팅층 형성
고출력 펄스 마그네트론 스퍼터링 기술로 제조된 코팅은 밀도가 높고 기계적 특성 및 고온 안정성이 우수합니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, 기존 마그네트론 스퍼터링으로 제조된 TiAlN 코팅은 경도 30 GPa, 영률 460 GPa의 기둥형 결정 구조를 갖는 반면, HIPIMS-TiAlN 코팅은 경도 34 GPa, 영률 377 GPa를 나타냅니다. 경도와 영률의 비율은 코팅의 인성을 나타내는 척도이며, 경도가 높고 영률이 낮을수록 인성이 우수합니다. 또한, HIPIMS-TiAlN 코팅은 고온 안정성이 더 우수합니다. 기존 TiAlN 코팅은 1,000 °C에서 4시간 동안 고온 열처리 후 AlN 육방정상이 석출됩니다. 고온에서 코팅의 경도가 감소하는 반면, HIPIMS-TiAlN 코팅은 동일한 온도와 시간에서 열처리 후에도 변화가 없습니다. HIPIMS-TiAlN 코팅은 기존 코팅보다 고온 산화 개시 온도가 더 높습니다. 따라서 HIPIMS-TiAlN 코팅은 PVD 공정으로 제조된 다른 코팅 공구보다 고속 절삭 공구에서 훨씬 우수한 성능을 보여줍니다.