물리적 기상 증착(PVD), 또는 물리적 기상 수송(PVT)은 진공 증착 방식을 이용해 금속, 세라믹, 유리, 폴리머와 같은 기판 위에 박막 및 코팅을 형성하는 공정입니다. 이 기술은 광학적, 기계적, 전기적, 화학적 기능을 갖는 박막을 제조하는 데 필수적이며, 특히 포토다이오드와 필터와 같은 반도체 분야에서 중요한 역할을 합니다. PVD 공정은 소재가 응축된 상태에서 기상으로 전이된 후 다시 얇은 응축 박막 상태로 변하는 과정을 포함하며, 그중에서도 스퍼터링과 증발 방식이 가장 일반적으로 사용됩니다.
열 증발(Thermal Evaporation)은 코팅 소재를 기화시켜 가스 상태로 만든 뒤 반응 챔버로 이동시키고, 비교적 낮은 공정 온도에서 기판 표면에 응축시켜 박막을 형성하는 공정입니다. 스퍼터링 PVD 공정은 코팅 소재를 ‘타겟(target)’이라 불리는 고체 형태로 마그네트론에 장착하는 것에서 시작됩니다. 고순도의 코팅을 얻기 위해서는 고온 환경에서도 선택된 소재만 존재하는 청정한 공정 환경을 유지하는 것이 매우 중요합니다. 이를 위해 챔버 내부의 거의 모든 분자를 제거할 때까지 진공 상태로 만든 후, 증착할 소재에 따라 아르곤, 산소, 질소와 같은 공정 가스를 다시 주입합니다.
온도와 압력 등 공정 조건이 설정되면, 타깃 소재에 음의 전기적 전위를 인가하면서 PVD 코팅 공정이 시작됩니다.
이 과정에서 챔버 본체는 양극(애노드) 또는 접지 역할을 합니다. 이 전기적 전위는 마그네트론에서 자유 전자를 방출시키고, 방출된 전자들이 공정 가스 원자와 충돌하면서 전자를 떼어내 양전하를 띤 공정 가스 이온을 생성합니다. 이렇게 생성된 이온은 마그네트론 방향으로 가속되며, 타깃 소재를 ‘때려내거나(sputter)’ 떨어뜨릴 만큼 충분한 에너지를 갖게 됩니다. 스퍼터링된 소재는 마그네트론 경로에 있는 표면에 축적되다가, 최종적으로 기판 표면에 증착됩니다.
공정 중에 관찰되는 플라즈마 발광(plasma glow)은 이온이 자유 전자와 재결합하면서 더 낮은 에너지 상태로 전이될 때, 남는 에너지가 빛의 형태로 방출되며 나타나는 현상입니다. 이 발광은 육안으로 확인할 수 있는 지표로서, 원하는 두께에 도달할 때까지 일정한 속도로 진행되는 박막 증착 공정을 모니터링하는 데 도움을 줍니다. 목표 두께가 형성되면 음극(cathode)에 인가된 전원이 차단되며, 이로써 공정이 완료됩니다.
PVD 공정에서 공정 온도는 매우 중요한 요소로, 증착되는 박막의 품질과 특성에 직접적인 영향을 미칩니다. 온도는 소재의 기화 속도, 기화된 입자의 에너지, 그리고 기판 표면에서의 이동성에 영향을 주며, 이는 다시 박막의 접착력, 밀도, 결정성에 영향을 미칩니다. 정밀한 온도 제어는 균일한 증착을 보장하고 결함을 최소화하며, 코팅에 요구되는 기계적·전기적·광학적 특성을 구현할 수 있도록 합니다. 또한 최적의 온도를 유지하면 기판 손상을 방지할 수 있고, PVD 공정의 일관성과 반복 재현성을 확보할 수 있습니다. 아울러 산업 규제 준수를 위해서는 인증되고 추적 가능한 공정 프로파일 정보에 대한 문서화 역시 필요합니다.
