다이아몬드상 탄소(diamond-like carbon, DLC) 박막은 천연다이아몬드와 유사한 기계적 물성, 화학적 안정성 및 광투과성 등을 가지고 있기 때문에 기계적, 광학적 코팅재료로 널리 응용되고 있다. 또한, 최근에는 광대역(wide bandgap) 반도체 재료로서의 물성 규명 및 소자 응용에 관한 많은 기초 연구가 이루어지고 있는 바, 공학적코팅재료로서 뿐 아니라, FED(Field Emission Display)용 전자방출소자를 비롯한 다양한 분야의 전지전자재료로서도 그 응용이 점차 확산될 전망이다. 그러나, 이러한 ...
다이아몬드상 탄소(diamond-like carbon, DLC) 박막은 천연다이아몬드와 유사한 기계적 물성, 화학적 안정성 및 광투과성 등을 가지고 있기 때문에 기계적, 광학적 코팅재료로 널리 응용되고 있다. 또한, 최근에는 광대역(wide bandgap) 반도체 재료로서의 물성 규명 및 소자 응용에 관한 많은 기초 연구가 이루어지고 있는 바, 공학적코팅재료로서 뿐 아니라, FED(Field Emission Display)용 전자방출소자를 비롯한 다양한 분야의 전지전자재료로서도 그 응용이 점차 확산될 전망이다. 그러나, 이러한 DLC 박막은 물성의 재연성 확보가 어려우며, 그 성장 mechanism에 대한 명확한 규명도 이루어지지 않고 있기 때문에 국내뿐 아니라, 선진 외국에서도 상기한 바와 같이 전자재료로서의 응용은 아직까지 뚜렷한 성과를 얻지 못하고 있는 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 다양한 증착 조건에 따른 DLC 박막의 물성 변화를 체계적으로 분석하여 양질의 박막 제작을 위한 최적 조건을 규명하고 소자 응용에 필요한 단위 공정 기술과 관련한 기초 자료를 제시하고자 하였다. DLC 박막은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor deposition) 및 FCVA(Filtered Cathodic Vacuum Arc) 방법을 사용하여 dc self-bias, 반응 가스 압력, 기판 전압 및 doping 가스(N₂)의 양 등의 증착변수를 변화시켜 제작하였다. AFM, Surface Profilometer, FTIR, Raman, Spectroscopic Ellipsometer, Spectrophotometer, Parameter Analyzer 등을 이용하여, 제작된 DLC 박막의 증착률 및 구조적(표면형상, 내부응력, sp³/sp² 결합비), 전기적(전기적 전도도, 활성화에너지, 금속 접촉 특성), 광학적(굴절률, 광학적 밴드갭) 물성들을 상기한 증착 조건의 함수로 분석하였다. 주요 결과로서, 박막 표면의 거칠기는 FCVA 박막의 경우 평균 약3.5Å, PECVD 박막은 약 10.2Å 정도로 모두 매끄러운 표면을 가지고 있음을 알 수가 있었으며, 내부응력 및 sp³/sp² 결합비는 FCVA 박막이 더 높은 경향을 나타냈다. 광학적 밴드갭은 평균 약1.8 ∼ 2.3 eV 정도로 측정되었으며, 전기적 비저항 및 활성화 에너지의 분석 결과 박막 증착시 질소의 주입에 의해 DLC 박막의 n형화가 진행됨을 확인하였다. 또한, 박막 증착에 참여하는 탄소이온의 에너지 분포에 따른 박막 물성의 변화를 체계적으로 분석한 결과, 박막의 sp³/sp² 결합, 내부응력 및 표면 거칠기 등의 구조적 물성이 상호 밀접한 상관관계가 있음을 확인하였으며, 이온 에너지의 역할에 대한 이론적 검토를 통하여 본 연구에서 얻어진 실험 결과들을 해석하였다.
다이아몬드상 탄소(diamond-like carbon, DLC) 박막은 천연다이아몬드와 유사한 기계적 물성, 화학적 안정성 및 광투과성 등을 가지고 있기 때문에 기계적, 광학적 코팅재료로 널리 응용되고 있다. 또한, 최근에는 광대역(wide bandgap) 반도체 재료로서의 물성 규명 및 소자 응용에 관한 많은 기초 연구가 이루어지고 있는 바, 공학적코팅재료로서 뿐 아니라, FED(Field Emission Display)용 전자방출소자를 비롯한 다양한 분야의 전지전자재료로서도 그 응용이 점차 확산될 전망이다. 그러나, 이러한 DLC 박막은 물성의 재연성 확보가 어려우며, 그 성장 mechanism에 대한 명확한 규명도 이루어지지 않고 있기 때문에 국내뿐 아니라, 선진 외국에서도 상기한 바와 같이 전자재료로서의 응용은 아직까지 뚜렷한 성과를 얻지 못하고 있는 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 다양한 증착 조건에 따른 DLC 박막의 물성 변화를 체계적으로 분석하여 양질의 박막 제작을 위한 최적 조건을 규명하고 소자 응용에 필요한 단위 공정 기술과 관련한 기초 자료를 제시하고자 하였다. DLC 박막은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor deposition) 및 FCVA(Filtered Cathodic Vacuum Arc) 방법을 사용하여 dc self-bias, 반응 가스 압력, 기판 전압 및 doping 가스(N₂)의 양 등의 증착변수를 변화시켜 제작하였다. AFM, Surface Profilometer, FTIR, Raman, Spectroscopic Ellipsometer, Spectrophotometer, Parameter Analyzer 등을 이용하여, 제작된 DLC 박막의 증착률 및 구조적(표면형상, 내부응력, sp³/sp² 결합비), 전기적(전기적 전도도, 활성화에너지, 금속 접촉 특성), 광학적(굴절률, 광학적 밴드갭) 물성들을 상기한 증착 조건의 함수로 분석하였다. 주요 결과로서, 박막 표면의 거칠기는 FCVA 박막의 경우 평균 약3.5Å, PECVD 박막은 약 10.2Å 정도로 모두 매끄러운 표면을 가지고 있음을 알 수가 있었으며, 내부응력 및 sp³/sp² 결합비는 FCVA 박막이 더 높은 경향을 나타냈다. 광학적 밴드갭은 평균 약1.8 ∼ 2.3 eV 정도로 측정되었으며, 전기적 비저항 및 활성화 에너지의 분석 결과 박막 증착시 질소의 주입에 의해 DLC 박막의 n형화가 진행됨을 확인하였다. 또한, 박막 증착에 참여하는 탄소이온의 에너지 분포에 따른 박막 물성의 변화를 체계적으로 분석한 결과, 박막의 sp³/sp² 결합, 내부응력 및 표면 거칠기 등의 구조적 물성이 상호 밀접한 상관관계가 있음을 확인하였으며, 이온 에너지의 역할에 대한 이론적 검토를 통하여 본 연구에서 얻어진 실험 결과들을 해석하였다.
This paper presents the experimental results regarding to the lowtemperature deposition and characterization of diamond-like carbon(DLC) thin films. DLC films have been deposited by employing both widely-used rf(13.56 MHz) plasma-enhanced chemical vapor deposition and filtered cathodic vacuum arc de...
This paper presents the experimental results regarding to the lowtemperature deposition and characterization of diamond-like carbon(DLC) thin films. DLC films have been deposited by employing both widely-used rf(13.56 MHz) plasma-enhanced chemical vapor deposition and filtered cathodic vacuum arc deposition systems. Structural(surface morphology, internal stress, sp³/sp² fraction), electrical(resistivity, activation energy), and optical(refractive index, optical bandgap) properties of DLC films have been measured as a function of various deposition conditions, such as dc self-bias, CH₄ pressure, substrate bias voltage, and additive gases. From the experimental results, it may be noted that an ion energy of carbon impinging into the substrate plays an crucial role to determine the physical properties of DLC films and that their structural properties are closely correlated in terms of ion energy. Nitrogen-doping effects are confirmed by monitoring the change of resistivity and activation energy of DLC films with increasing the partial pressure N₂gas during deposition. The experimental results obtained are also discussed by considering a theoretical model for DLC deposition. From this work, it may be suggested that DLC film as a wide bandgap semiconductor can be very promising for a variety of optoelectronic applications.
This paper presents the experimental results regarding to the lowtemperature deposition and characterization of diamond-like carbon(DLC) thin films. DLC films have been deposited by employing both widely-used rf(13.56 MHz) plasma-enhanced chemical vapor deposition and filtered cathodic vacuum arc deposition systems. Structural(surface morphology, internal stress, sp³/sp² fraction), electrical(resistivity, activation energy), and optical(refractive index, optical bandgap) properties of DLC films have been measured as a function of various deposition conditions, such as dc self-bias, CH₄ pressure, substrate bias voltage, and additive gases. From the experimental results, it may be noted that an ion energy of carbon impinging into the substrate plays an crucial role to determine the physical properties of DLC films and that their structural properties are closely correlated in terms of ion energy. Nitrogen-doping effects are confirmed by monitoring the change of resistivity and activation energy of DLC films with increasing the partial pressure N₂gas during deposition. The experimental results obtained are also discussed by considering a theoretical model for DLC deposition. From this work, it may be suggested that DLC film as a wide bandgap semiconductor can be very promising for a variety of optoelectronic applications.
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