본 실험에서는 Ag 코팅박막을 제작하기 위해 E- Beam을 이용하여 증발원 을 증발시키고 Positive probe를 이용 플라즈마를 활성화하는 Ion Plating장 치를 사용하였다. Fig. 3- 1과 Fig. 3- 2에 Ion Plating 장치의 사진과 개략도 를 각각 보이고 있다. Ion Plating 장치는 크게 진공형성장치, 증발원과 이온 화 활성원, 기판전원 인가장치와 가스도입 장치등으로 이루어져있다. 구성된 각각의 장치에 대하여 살펴보면 다음과 같다. 우선, 진공용기(Ø448×L495×
t4.5㎜: 스테인레스) 내의 진공형성은 Rotary Pump를 이용하여 ～×10-3T orr 의 진공에 이르게 한 후, 충분히 예열시킨 Oil Diffusion Pump를 이용하여 10-4～10-6T orr의 진공을 조성할 수 있게 하였다.
증발장치로는 Electron Beam - Gun Unit(COMPLET E ST IH - 270 - 1 CK/ CKB S OURCE)를 이용하였다. 필라멘트로부터 방출된 전자빔이 가속 전 장에 수직한 자장을 통과하면서 270°회전하여 Graphite Crucible(4×7cc) 내 에 채워진 금속(Ag) 표면에 입사되어 금속을 용융, 증발시킨다. 전자빔 장치 의 사용조건은 용기내의 압력이 10-4T orr이하의 고진공에서 이용이 가능하 며, 전자빔 gun의 최대출력은 8Kw 로 전류의 공급을 변화시켜 증발량을 조 절할 수 있는 증발원 가열방식을 채택하였다.
증발된 금속의 이온화율을 높이기위해서는 Crucible로부터 약 8㎝위에 타원 형의 Pos itive Probe를 설치하였다. 전자빔에 의해 가열된 금속 용융체 위에 생성되는 얇은 Plas ma Sheath의 내부에 존재하는 낮은 에너지의 2차 전자들 을 양의 Probe 전압에 이끌리게 하여 플라즈마를 활성화 함으로써 이온화율 을 높이는 원리이다.43) 실험에 이용된 Probe의 재료는 필라멘트용 텅스텐
F ig. 3- 1 Potograph of Ion plating apparatus .
F ig. 3- 2 Schematic diagram of Ion plating apparatus .
W ire를 사용하였으며, Probe 전압은 +350V와 +250V로 인가하여 조건에 따 라 시편을 제작하였다.
양의 전압으로 인가된 Probe에 이끌린 2차 전자에 의해 플라즈마가 활성화 되면, 금속원자나 분위기 가스입자들은 서로 충돌하여, 일부는 높은 에너지 를 갖는 활성화된 상태로 된다. 2차 전자와 중성의 금속입자가 충돌하면 상 호 작용에 의해 금속원자 내의 전자는 전리전압 이상의 에너지를 얻어 금속 원자는 이온화된다. 또한, 전자와의 충돌에 의해 높은 에너지 준위를 갖는 일부 금속원자는 발광하며 기저상태로 되돌아가고, 일부는 금속원자 내에 에 너지를 축적하여 화학적인 활성상태가 된다. 이러한 현상들은 앞서 문헌고찰 에서 살펴 본 바와 같이 다음과 같은 형태로 나타낼 수 있다.
A g+ + e
A g 와 e의 충돌 →
A g* + hν
h: Planck' s cons tant, υ: 진동수, *: 활성종 기호
충돌반응은 도입된 Ar 가스에도 같은 원리로 발생하게 된다. 금속원자와 가스원자들의 이온화에 필요한 에너지를 T able 3- 1에 나타내었다. 따라서 Pos itive probe와 증발원 사이에서는 Glow 방전에 의한 저온플라즈마가 발 생한다.
T able 3- 1 Ionzation energy of s everal elements .44) Element M → M+ M → M2+
Ionization energy
Ag 7.57 29.05
Ar 15.76 43.38
N 14.54 44.14
N2 15.8
생성된 플라즈마 내에 존재하는 이온화 및 활성화된 금속이온과 입자, 중성 자는 부(- )의 전압으로 인가된 기판에 도달하여 박막을 형성한다. 기판에 인 가된 음의 전압을 바이어스 전압이라 하며, 본 실험에서 바이어스 전압을 인 가하기위해 이용된 전원공급장치는 0～1kV까지 전압을 공급할 수 있다. 또 한, 가스공급을 위한 장치는 0～150 sccm (the Standard Cubic Centimeter per Minute)의 아르곤용 MF C (Mas s F low Controler)와 0～100s ccm의 N2용 MF C를 설비하여 Variable leak valve로 가스량을 수동 조절할 수 있도록 되 었다.