[논문]RE-PECVD법에 의해 증착된 DLC박막의 결합 특성

최봉근; 신재혁; 안종일; 심광보

RE-PECVD법에 의해 증착된 DLC박막의 결합 특성
Bonding structure of the DLC films deposited by RE-PECVD 원문보기

최봉근 (CPRC, 한양대학교 세라믹공학과) , 신재혁 (산업자원부 기술표준원 광전재료과) , 안종일 (산업자원부 기술표준원 광전재료과) , 심광보 (CPRC, 한양대학교 세라믹공학과)

RF-PECVD 방법을 이용하여 DLC(diamond-like carbon)박막을 메탄-수소 가스 혼합비 및 바이어스 전압에 따라 실리콘 웨이퍼 위에 증착하였다. DLC 박막의 결합구조적 특성 및 기계적 성질은 FT-IR, Raman, 그리고 nano-indenter를 이용하여 평가하였다. 혼합가스내 메탄의 유량과 바이어스 전압이 증가함에 따라 증착속도가 증가하였다. 박막내 탄소의 $sp^3/sp^2$ 결합비와 경도는 반응가스내 수소의 유량 및 바이어스 전압이 증가함에 따라 증가하였다.

The diamond-like carbon (DLC) films were deposited on the Si (100) wafer by a rf-PECVD method as a function of the mixture rate of methane-hydrogen gas and bias voltage. The bonding structure and mechanical properties of these deposited DLC films were investigated using FT-IR, Raman, and nano-indenter. The deposition rates of DLC films increased with increased flow rate of methane in the gas mixtures and increased bias voltage. The $sp^3/sp^2$ bonding ratio of carbon in thin film and the hardness increased with increasing flow rate of hydrogen in the gas mixtures and increasing bias voltage.

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문제 정의

따라서, 본 실험에서는 rf-PECVD법에 의해 증착된 DLC 박막의 잔류응력을 제어하여 기계적 특성을 향상하고자 하였다. 즉, 증착조건(바이어스 전압 및 반응 가스의 유속비) 을 변화시켜 이에 따른 박막의 결합구조 변화와 막내 수소 함량 변화로 평가하여 박막의 기계적인 특성과의 관계를 비교 분석하였다.

제안 방법

rf-PECVD 장치를 이용하여 메탄-수소 혼합가스를 이용하여 DLC 막을 증착하였다. DLC 박막의 두께는 바이어스 전압과 메탄의 유량이 증가함에 따라 증가하였고, Raman과 FT-IR 분석을 통하여 바이어스 전압과 반응 가스의 유량 변화를 통해 DLC 박막의 결합상태와 막내 수소 함량 조절이 가능함을 확인하였다.
공정조건에 따른 DLC막의 결합구조와 sp'와 sp2 결합의 상대적인 C-H 결합비를 조사하기 위해 FT-IR(Nicolet, Magna-IR 760 spectrometer, USA) 분석을 500 cm-'~ 4000 cm-1 영역에서 행하였다. 또한, C-H stretching vibration 영역인 2700 cn「~3100 cm「' 사이에서 흡수된 피크의 총면적이 수소의 상대적인 함량을 나타내므로 면적을 적분하여 상대적인 수소 함량을 계산하였다[18].
5 nm의 녹색 파장을 가지는 35 mW 아르곤 이온 레이저를 이용하여 1000cm-1~1800cm-1 영역에서 Raman 분석 (Jobin-Yvon, T64000, France)■을 행하였다. 또한 Raman 스펙트럼의 deconvolution을 위해서 Gaussian line shape 을 이용하여 피크분석을 행한 후 각각의 Raman param- eter(위礼 FWHM) 와 ID/IG 비를 측정하였다[18]. 증착된 막의 경도 측정은 nanoindentor(CSIRO, UMIS-2000, USA)를 사용하였다.
공정조건에 따른 DLC막의 결합구조와 sp'와 sp2 결합의 상대적인 C-H 결합비를 조사하기 위해 FT-IR(Nicolet, Magna-IR 760 spectrometer, USA) 분석을 500 cm-'~ 4000 cm-1 영역에서 행하였다. 또한, C-H stretching vibration 영역인 2700 cn「~3100 cm「' 사이에서 흡수된 피크의 총면적이 수소의 상대적인 함량을 나타내므로 면적을 적분하여 상대적인 수소 함량을 계산하였다[18]. 증착된 막의 물질특성의 변화를 분석하기 위하여 514.
얻어진 DLC 박막의 두께는 SEM(Jeol, JSM-5900LV, Japan)을 이용하여 박막단면을 관찰하여 측정하였다. 공정조건에 따른 DLC막의 결합구조와 sp'와 sp2 결합의 상대적인 C-H 결합비를 조사하기 위해 FT-IR(Nicolet, Magna-IR 760 spectrometer, USA) 분석을 500 cm-'~ 4000 cm-1 영역에서 행하였다.
하였다. 즉, 증착조건(바이어스 전압 및 반응 가스의 유속비) 을 변화시켜 이에 따른 박막의 결합구조 변화와 막내 수소 함량 변화로 평가하여 박막의 기계적인 특성과의 관계를 비교 분석하였다.
또한, C-H stretching vibration 영역인 2700 cn「~3100 cm「' 사이에서 흡수된 피크의 총면적이 수소의 상대적인 함량을 나타내므로 면적을 적분하여 상대적인 수소 함량을 계산하였다[18]. 증착된 막의 물질특성의 변화를 분석하기 위하여 514.5 nm의 녹색 파장을 가지는 35 mW 아르곤 이온 레이저를 이용하여 1000cm-1~1800cm-1 영역에서 Raman 분석 (Jobin-Yvon, T64000, France)■을 행하였다. 또한 Raman 스펙트럼의 deconvolution을 위해서 Gaussian line shape 을 이용하여 피크분석을 행한 후 각각의 Raman param- eter(위礼 FWHM) 와 ID/IG 비를 측정하였다[18].

대상 데이터

기판은 수냉되는 하부전극 위에 놓고 반응가스로는 메탄 (99.99 %)와 수소(99.99 %) gas를 사용하였다.
본 연구에 사용된 rf-PECVD 시스템은 용량성 결합형으로서 13.56 MHz rf 전원 공급장치에 의해서 추진되는 비대칭 플라즈마 반응기의 형태로 이루어져 있다. 음전하의 바이어스 전압은 rf 전원이 공급되어지는 하부전극에서 발생되고, 원료 가스는 분사상태의 분급장치에 의해서 균일하게 공급되어진다.
증착용 기판은 P형의 실리콘 (100) 웨이퍼를 사용하였으며, 증착 전에 초음파 세척기를 이용하여 세척한후 질소 가스를 이용하여 건조시켜 반응기에 장입하였다. 기판은 수냉되는 하부전극 위에 놓고 반응가스로는 메탄 (99.

이론/모형

또한 Raman 스펙트럼의 deconvolution을 위해서 Gaussian line shape 을 이용하여 피크분석을 행한 후 각각의 Raman param- eter(위礼 FWHM) 와 ID/IG 비를 측정하였다[18]. 증착된 막의 경도 측정은 nanoindentor(CSIRO, UMIS-2000, USA)를 사용하였다.

성능/효과

DLC 막을 증착하였다. DLC 박막의 두께는 바이어스 전압과 메탄의 유량이 증가함에 따라 증가하였고, Raman과 FT-IR 분석을 통하여 바이어스 전압과 반응 가스의 유량 변화를 통해 DLC 박막의 결합상태와 막내 수소 함량 조절이 가능함을 확인하였다. 바이어스의 증가와 반응가스내 수소유량이 증가함에 따라 증착된 박막의 sp2 결합 농도가 제거되고 sp3 결합 농도가 증가되어 막내 수소 함량을 줄여 줌으로써 막의 hardness를 증가 시킬 수 있었다.
이들 두 피크는 sp2 결합을 하고있는 탄소상에 의한 것이다[21]. 바이어스 전압이 증가함에 따라 D 라인과 G 라인의 위치가 각각 높은 파장 수 쪽으로 이동하벼 G 피크의 폭은 감소하고 반대로 D 피크의 폭은 증가함을 알 수 있다. 이처럼 바이어스 전압이 증가함에 따라 G 라인이 높은 파장수 쪽으로 이동하고 G 라인의 폭이 감소하는 것은 결합각 및 결합길이의 disorder가 사라지고 micro-crystalline 흑연구조를 이루기 때문이다[22].
DLC 박막의 두께는 바이어스 전압과 메탄의 유량이 증가함에 따라 증가하였고, Raman과 FT-IR 분석을 통하여 바이어스 전압과 반응 가스의 유량 변화를 통해 DLC 박막의 결합상태와 막내 수소 함량 조절이 가능함을 확인하였다. 바이어스의 증가와 반응가스내 수소유량이 증가함에 따라 증착된 박막의 sp2 결합 농도가 제거되고 sp3 결합 농도가 증가되어 막내 수소 함량을 줄여 줌으로써 막의 hardness를 증가 시킬 수 있었다.

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