순수한 동적 결합반응이고 전하 누적이 없는 이온 임플란테이션, 새로운 재료 개발 등에 음이온을 직접 사용하는 새로운 연구가 진행되고 있으며, 이러한 관점에서 새로운 고체상의 Cs이온 법이 실험실 규모로 연구되고 있다. 본 논문에서는 음이온 Cs gun으로 DLC 박막을 실리콘 위에 제조하였다. 이 시스템은 가스가 필요없으므로, 고 진공에서 증착이 일어난다. C(sup)-빔 에너지는 80~150eV 사이에서 조절이 우수하였다. Raman 분석결과 박막의 DLC 지수, 즉$sp^3$비율은 이온 에너지 증가에 따라 증가하였으며, 미소 경도값 또한 7에서 14GPa로 증가하였다. DLC박막의 표면 평균거칠기(Ra)는 ~1$\AA$정도로 아주 매끈하였으며, 불순물이 내재되지 않는 박막을 얻을 수 있었다.
순수한 동적 결합반응이고 전하 누적이 없는 이온 임플란테이션, 새로운 재료 개발 등에 음이온을 직접 사용하는 새로운 연구가 진행되고 있으며, 이러한 관점에서 새로운 고체상의 Cs이온 법이 실험실 규모로 연구되고 있다. 본 논문에서는 음이온 Cs gun으로 DLC 박막을 실리콘 위에 제조하였다. 이 시스템은 가스가 필요없으므로, 고 진공에서 증착이 일어난다. C(sup)-빔 에너지는 80~150eV 사이에서 조절이 우수하였다. Raman 분석결과 박막의 DLC 지수, 즉$sp^3$비율은 이온 에너지 증가에 따라 증가하였으며, 미소 경도값 또한 7에서 14GPa로 증가하였다. DLC박막의 표면 평균거칠기(Ra)는 ~1$\AA$정도로 아주 매끈하였으며, 불순물이 내재되지 않는 박막을 얻을 수 있었다.
Direct use of negative ions for modification of materials has opened new research such as charging-free ion implantation and new materials syntheses by pure kinetic bonding reactions. For these purposes, a new solid-state ce-sium ion source has been developed in the laboratory scale. In this paper, ...
Direct use of negative ions for modification of materials has opened new research such as charging-free ion implantation and new materials syntheses by pure kinetic bonding reactions. For these purposes, a new solid-state ce-sium ion source has been developed in the laboratory scale. In this paper, diamond like carbon(DLC) films were prepared on silicon wafer by a negative cesium ion gun. This system does not need any gas in the chamber; deposition occurs under high vacuum. The ion source has good control of the C- beam energy(from 80 to 150eV). The result of Raman spectrophotometer shows that the degree of diamond-like character in the films, $sp^3$ fraction, increased as ion beam energy increases. The nanoindentation hardness of the films also increases from 7 to 14 GPa as a function of beam energy. DLC films showed ultra-smooth surface(Ra~1$\AA$)and an impurity-free quality.
Direct use of negative ions for modification of materials has opened new research such as charging-free ion implantation and new materials syntheses by pure kinetic bonding reactions. For these purposes, a new solid-state ce-sium ion source has been developed in the laboratory scale. In this paper, diamond like carbon(DLC) films were prepared on silicon wafer by a negative cesium ion gun. This system does not need any gas in the chamber; deposition occurs under high vacuum. The ion source has good control of the C- beam energy(from 80 to 150eV). The result of Raman spectrophotometer shows that the degree of diamond-like character in the films, $sp^3$ fraction, increased as ion beam energy increases. The nanoindentation hardness of the films also increases from 7 to 14 GPa as a function of beam energy. DLC films showed ultra-smooth surface(Ra~1$\AA$)and an impurity-free quality.
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제안 방법
Sputtering source로는 고체 Cs source를 사용하였고 Cs+ 이온을 가속시키기 위하여 고전압( h voltage : HV 1~3)을 3kV로 가해주었다. Graphite target으로부터 나온 carbon 이온들과 원자들 중에서 이온만을 선택하기 위하여 electrical optics (HV 2, HV 3)를 사용하였다. 이때 HV 2는 L9kV로 HV 3는 0.
NIBS 장치의 증착 특성을 알아보기 위하여 여러 공정변수는 고정한 후 beam 에너지를 20~400eV 범위에서 중착을 행하였다. 그 결과 80eV 이하에서는 stainless steel tip 으로도 scratch가 생길 정도의 매우 약한 (soft carbon) 박막이, 80~200eV 범위에서는 scratch가 전혀 생기지 않는 비교적 경한 (hard carbon) 브/므/이 증착되었다.
Rotary pump와 diffusion pump를 사용하여 진공도를 5 X ~ 1 X 10-%on로 유지하였고, target으로는 graphite를 사용하였으며, sputtering yield를 일정하게 유지하기 위하여 target current는 100A로 유지시켰다. 실험 변수로는 beam 에너지 룔 80, 100, 150, 로변화시 켰으며 초기 진공도는 lX10%orr 이하, 작업압력은 5X WW, 중 착시간은 120분, 기관 온도는 상온이 고 기판과 target과의 거리는 10an로 유지시켰다
따라서 본 실험에서는 박막의 고유 특성은 명확히 규명할 수 없으나 beam 에너지 변화에 따른 상대적인 변화 양상은 관찰할 수 있다. 미소 경도와 탄성계수 모두 50nm의 displacement에서 서로 상대 비교하였다. Beam 에너지를 80eV에서 150eV로 중 가시키면 미소 경도와 탄성계수는 증가 하나 200eV에서는 다시 감소하는 경향을 보이고 있다.
본 연구는 새로운 증착 기술인 NIBS 증착법과 graphite target을 사용하여 DLC 박막을 제조하였다. 특히 음이온 beam 에너지가 80~200eV의 범위에서 종착된 박막의 물성 및 톡성 등을 분석, 평가하였다.
Rotary pump와 diffusion pump를 사용하여 진공도를 5 X ~ 1 X 10-%on로 유지하였고, target으로는 graphite를 사용하였으며, sputtering yield를 일정하게 유지하기 위하여 target current는 100A로 유지시켰다. 실험 변수로는 beam 에너지 룔 80, 100, 150, 로변화시 켰으며 초기 진공도는 lX10%orr 이하, 작업압력은 5X WW, 중 착시간은 120분, 기관 온도는 상온이 고 기판과 target과의 거리는 10an로 유지시켰다
DLC 박막 증착을 위한 기판 재료로 2 x2cm 크기의(100)실리콘웨이퍼를 사용하였다. 자연산 화 막을 제거하기 위하여 초음파 욕조 내의 불산(HF) 에 2 ~3분, 아세톤에서 5분, 에탄을에서 5분, 증류수에서 5분 세척한 후 질소개스를 사용하여 air gun으로 건조하였다.
증착된 박막의 륵성 분석은 Raman spectrophotometer (Coherent, Innova 90-5/Spex, Ramalog 91), AFM (Park Scientific Instruments사), CSM (continuous stiffness measurement) 방법을 이용한 nanoindentation (MTS사 Nano indenter H), ellipsometer (PLASMOS, SD 2302), XPS(V, G, Microtech MT500) 등을 이용하였다.
본 연구는 새로운 증착 기술인 NIBS 증착법과 graphite target을 사용하여 DLC 박막을 제조하였다. 특히 음이온 beam 에너지가 80~200eV의 범위에서 종착된 박막의 물성 및 톡성 등을 분석, 평가하였다.
대상 데이터
65kV로 가해주었다. DLC 박막 증착을 위한 기판 재료로 2 x2cm 크기의(100)실리콘웨이퍼를 사용하였다. 자연산 화 막을 제거하기 위하여 초음파 욕조 내의 불산(HF) 에 2 ~3분, 아세톤에서 5분, 에탄을에서 5분, 증류수에서 5분 세척한 후 질소개스를 사용하여 air gun으로 건조하였다.
성능/효과
3%까지 음이온 화가 증가한다고 보고된바 있다.(2) Target으로부터 나온 음이온들은 beam 에너지에 의해 운동에너지를 받으며 optics를 통과하는 동안 불순물(Cs, 0, H, N 등)을 포함한 양이 온들은 제거되고 운동에너지가 거의 비슷한 순수한 음이온과 중성원자만기판 에 도달하게 된다. NIBS 증착법은 positive ion beam sputter(PIBS) 증착법보다 간단하며 이차전자를 이탈시키므로 PIBS 증착법에서 문제가 되는 가large 누적에 의한 절연 물질 증착 속도 감소 등의 난제를 해결할 수 있는 것으로 보고되고 있다.
1) 새로운 방식인 NIBS 증착법을 이용하여 DLC 박막을 제조할 수 있음을 확인하였다. 그러나, beam 에너지에 따른 증착 상태가 다르고, 특히 300eV 이상에서는 증착이 되지 않았다.
2) DLC 박막의 미소 경도와 탄성계수는 G-line width 에 비례하며 Id/Ig에 반비례하는 경향을 보였으며 beam 에너지가 150eV에서 증착한 박막이 가장 높은 값을 보였다.
3) CVD 법으로 제조된 DLC 박막보다 매우 평탄한 표면(4 A 이하) 을 얻을 수 있음을 AFM 분석으로 확인하였다.
4) 수소, 산소, 질소 같은 DLC 박막에 쉽게 유입될 수 있는 불순물이나 sputtering source로 사용한 Cs 마저도 작업압력이 매우 낮고 optics를 이용한 여과시스템이 갖추어져 있기 때문에 고순도 DLC 박막을 제조할 수 있었다.
그 이유는 80eV 이하에서는 beam 에너지가 너무 약하기 때문에 박막 증착이 불가능하거나 아니면 박막 증착이 가능하더라도 강한 결합인 sp3 결합을 많이 이루지 못하기 때문이며, 300eV 이상에서는 beam 에너지가 너무 강해서 sputtering 효과가 일어나기 때문으로 생각묀다. 80-200eV 범위에서 중착된 박막의 두께는 ellipsometer로 측정해본 결과 beam 에너지 값에 관계없이 75~77nm이었다. 본 실험에 사용한 NIBS 장치는 1200℃ 이상의 고온에서 Cs source를 발생시키고 Cs source의 수명이 제한되어 있기 때문에 120분 이상의 작업은행하지 않았다.
NIBS 증착법으로 DLC 박막을 제작해본 결과 기존의 sputter, PECVD법에 비해 중착 속도는 크게 떨어지나 박막의 물성, 표면 거칠기 맟고순도 박막을 얻을 수 있어 박 막연구에 새로운 중착방식임을 확인할 수 있었다. 그러나 앞으로 액체 Cs source로 대치하여 중착속도를 증가시키 는 숙제를 남겼다.
NIBS 장치의 증착 특성을 알아보기 위하여 여러 공정변수는 고정한 후 beam 에너지를 20~400eV 범위에서 중착을 행하였다. 그 결과 80eV 이하에서는 stainless steel tip 으로도 scratch가 생길 정도의 매우 약한 (soft carbon) 박막이, 80~200eV 범위에서는 scratch가 전혀 생기지 않는 비교적 경한 (hard carbon) 브/므/이 증착되었다. 300eV 이상에서는 중착이 거의 되지 않음을 관찰할 수 있었다.
Nanoindention-3- 동해서 박막의 정확한 특성을 알기 위해서는 재료에 따라서 약간은 다르지만 보통 150nm 이상의 두께를 가져야 된다고 보고되어 있다. 따라서 본 실험에서는 박막의 고유 특성은 명확히 규명할 수 없으나 beam 에너지 변화에 따른 상대적인 변화 양상은 관찰할 수 있다. 미소 경도와 탄성계수 모두 50nm의 displacement에서 서로 상대 비교하였다.
박막내부에는 순수 carbon 이외에는 불순물이 존재하지 않았다. 증착 조건이 5xi0-6torr이하에서 이루어지기 때문에 수소나 산소 같은 DLC 박막에 유입되기 쉬운 불순물을 방지할 수 있었고, sputtering source로 사용돠는 Cs 의 영향은 optics에서의 여과에 의해서 방지할 수 있었음을 확인할 수 있다. DLC 박막과 실리콘 웨이퍼의 계면에서 나타나는 산소는 증착 과정에서 성장한 자연산화 막에 기인한 것으로 여겨진다.
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