HIPIMS란 무엇인가 장점과 단점 그리고 원리

고속 펄스형 자기장 스퍼터링(High Power Impulse Magnetron Sputtering, HIPIMS)은 박막 증착 기술 중 하나로, 높은 전력 밀도의 펄스를 사용하여 타겟 물질을 증착하는 방식입니다. 이 기술은 기존의 자기장 스퍼터링(Magnetron Sputtering) 기술과 비교하여 증착된 박막의 밀도, 부착력, 균일성 등을 크게 향상시키는 특징이 있습니다. HIPIMS는 특히 산업계와 연구 분야에서 고품질 박막이 요구되는 경우에 널리 사용되고 있습니다.

HIPIMS의 원리

HIPIMS의 작동 원리는 기본적으로 자기장 스퍼터링과 유사하지만, 매우 높은 전력 밀도의 펄스를 사용한다는 점에서 차이가 있습니다. 다음은 HIPIMS의 주요 원리와 과정입니다:

1. 고전력 펄스 발생: HIPIMS는 짧은 시간 동안 매우 높은 전력(수 킬로와트에서 수 메가와트)을 타겟에 인가합니다. 이 전력은 밀리초(ms)에서 마이크로초(μs) 단위의 짧은 펄스로 제공되며, 펄스 간의 휴지 기간은 상대적으로 깁니다.
2. 플라즈마 생성: 높은 전력 펄스는 타겟 표면에서 강력한 플라즈마를 생성합니다. 이 플라즈마는 높은 이온화율을 가지며, 전자와 이온의 밀도가 매우 높습니다. 이는 증착되는 물질의 품질을 크게 향상시킵니다.
3. 이온화된 타겟 물질: 생성된 플라즈마는 타겟 물질을 이온화시키며, 이 이온화된 물질이 기판으로 이동하여 박막을 형성합니다. 이 과정에서 이온화율이 높아 타겟 물질의 더 균일하고 밀도 높은 박막이 형성됩니다.
4. 기판으로의 이동 및 증착: 이온화된 타겟 물질은 자기장에 의해 가속되어 기판으로 이동합니다. 이 과정에서 물질은 더 나은 부착력을 가지며, 박막의 밀도와 균일성도 향상됩니다.

HIPIMS의 장점

HIPIMS는 기존의 자기장 스퍼터링 기술에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있습니다:

1. 높은 이온화율: HIPIMS는 높은 이온화율을 통해 더 균일하고 밀도 높은 박막을 형성합니다. 이는 특히 고품질의 박막이 요구되는 응용 분야에서 큰 이점이 됩니다.
2. 우수한 박막 특성: HIPIMS로 증착된 박막은 높은 경도, 뛰어난 부착력, 낮은 결함 밀도를 가집니다. 이는 기계적, 화학적, 전기적 특성을 개선하는 데 기여합니다.
3. 기판 온도 제어: HIPIMS는 비교적 낮은 기판 온도에서 작동할 수 있어, 열에 민감한 기판에도 적용이 가능합니다. 이는 유연한 기판이나 플라스틱 기판에도 고품질 박막을 증착할 수 있게 합니다.
4. 다양한 응용 가능성: HIPIMS는 반도체, 디스플레이, 태양광 패널, 보호 코팅 등 다양한 산업 분야에 적용될 수 있습니다. 이는 기술의 범용성을 높이며, 연구 및 상업적 응용을 촉진합니다.

HIPIMS의 단점

사용해본 결과 상당히 높은 공정 이해도가 필요합니다.. 생각보다 파티클 발생도 많고 들어가는 가스의 순도가 높아야하며 타겟의 순도도 매우 높아야합니다. 거기다가 공정이 진행되는 전류값(물론 여기에는 가스량과 플라즈마 전력이 고정되어야하죠)을 매 번 맞춰야하고 안정화까지도 제가 운용하는 장비에서는 상당히 오래 걸립니다. 한번 아킹이 발생하기 시작하면 지속적으로 발생하기때문에 켜두고 어디 가지도 못합니다. 

HIPIMS의 응용 분야

HIPIMS는 다양한 분야에서 그 응용 가능성을 입증하고 있습니다:

1. 반도체 산업: HIPIMS는 반도체 소자의 절연층, 전도층, 배리어층 등을 증착하는 데 사용됩니다. 높은 이온화율과 박막 특성 덕분에 더 얇고 성능이 뛰어난 소자를 제조할 수 있습니다.
2. 디스플레이 기술: OLED, QLED 등 최신 디스플레이 기술에서 고품질의 투명 전극과 보호층을 형성하는 데 HIPIMS가 활용됩니다. 이는 디스플레이의 수명과 성능을 개선하는 데 기여합니다.
3. 태양광 패널: HIPIMS는 태양광 패널의 반사 방지 코팅, 투명 전극, 보호층 등을 증착하는 데 사용됩니다. 이는 패널의 효율성을 높이고 내구성을 강화합니다.
4. 보호 코팅: 공구, 부품, 장비 등에 내마모성, 내식성, 내열성 코팅을 적용하여 성능과 수명을 연장시킬 수 있습니다. HIPIMS는 이러한 코팅의 품질을 크게 향상시킵니다.

HIPIMS의 타겟