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문제 정의
- 이러한 단점을 개선하기 위하여, 본 논문에서는 DLC 박막과 실리콘(Si) 기판 사이에 티타늄(Ti), 니켈 (Ni), 크롬(Cr)을 중간층으로 사용해서 DLC 박막의 기계적 특성을 연구했다. 금속층을 포함하는 DLC 박막과 순수 DLC 박막은 유사한 기계적 특성을 갖으며, 금속층을 포함시킴으로써 DLC 박막의 고유한 특성인 내부응력을 감소시켰다.
제안 방법
- 1 mtorr에서 각각의 금속층을 증착하였다. DLC 박막을 합성하기 전 플라즈마의 안정화와 기판의 활성화를 위하여 수소 전처리 10분간 수행한 뒤, 일정한 비율의 메탄(20 sccm)과 수소(80 sccm) 가스를 사용하여 DLC 박막을 합성하였다. 두 실험의 증착 조건은 표 1에 정리하였다.
- water)를 사용하여 초음파 세척기에서 각각 10분씩 세척한 뒤, HF용액으로 자연 산화막을 제거하였다. 그 후 스퍼터링 장비를 사용하여 초기 진공 1×10-3 mtorr, 작업 진공도 0.1 mtorr에서 각각의 금속층을 증착하였다. DLC 박막을 합성하기 전 플라즈마의 안정화와 기판의 활성화를 위하여 수소 전처리 10분간 수행한 뒤, 일정한 비율의 메탄(20 sccm)과 수소(80 sccm) 가스를 사용하여 DLC 박막을 합성하였다.
- 박막의 두께는 FE-SEM (JEOL-JSM 6700F)을 사용하여 측정하였고, 표면 상태는 AFM (Auto Probe CP Research)을 사용하여 분석했다. 또한 XRD (PANalytical XTert PRO)를 사용하여 DLC 박막 합성 전후의 XRD 패턴을 확인하였고, stress tester (JLCST022, Jnl Tech)로는 DLC 박막의 내부응력을 측정하였다. FFM과 nano-indenter (nano-indenter Ⅱ, MTS) 분석을 통하여 DLC 박막의 마찰력과 hardness를 얻을 수 있었다.
- 두 실험의 증착 조건은 표 1에 정리하였다. 박막의 두께는 FE-SEM (JEOL-JSM 6700F)을 사용하여 측정하였고, 표면 상태는 AFM (Auto Probe CP Research)을 사용하여 분석했다. 또한 XRD (PANalytical XTert PRO)를 사용하여 DLC 박막 합성 전후의 XRD 패턴을 확인하였고, stress tester (JLCST022, Jnl Tech)로는 DLC 박막의 내부응력을 측정하였다.
- 본 실험에서는 DC 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 금속(Cr, Ni, Ti)층을 증착한 후, 각 금속 층위에 RF-PECVD법을 사용하여 DLC 박막을 합성하였다. 각 금속층의 두께는 10 nm로 맞추었고, DLC 박막의 합성 시간은 동일하게 하여 막두께 차이에 따른 특성 변화는 배제하였다.
- 이러한 여러 가지 합성법 중 PECVD 방식은 대면젹 증착이 용이하고 증착 속도가 빠르며 스텝 커버리지(step coverage)가 우수한 장점을 가지고 있기에 본 실험에서는 13.56 MHz의 RF-PECVD (Radio Frequency-Plasma Enhanced Vapor Deposition) 방식으로 DLC 박막을 합성하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 DLC 박막의 기계적 특성을 향상시키기 위하여 박막과 기판사이에 얇은 금속층을 사용하였다. SEM 이미지를 통하여 10 nm 두께의 금속층(Cr, Ni, Ti) 위에 20 nm 두께의 DLC 박막이 증착되어진 것을 확인하였다.
- 실험에 사용된 실리콘 기판은 TCE (trichloro ethylene), 아세톤 (acetone), 메탄올 (methanol), 증류수 (D.I. water)를 사용하여 초음파 세척기에서 각각 10분씩 세척한 뒤, HF용액으로 자연 산화막을 제거하였다. 그 후 스퍼터링 장비를 사용하여 초기 진공 1×10-3 mtorr, 작업 진공도 0.
성능/효과
- 또한 XRD (PANalytical XTert PRO)를 사용하여 DLC 박막 합성 전후의 XRD 패턴을 확인하였고, stress tester (JLCST022, Jnl Tech)로는 DLC 박막의 내부응력을 측정하였다. FFM과 nano-indenter (nano-indenter Ⅱ, MTS) 분석을 통하여 DLC 박막의 마찰력과 hardness를 얻을 수 있었다.
- 나타낸다. 각 이미지를 통하여 20 nm 두께의 DLC 박막과 10 nm 두께의 금속층이 실리콘 기판위에 복층으로 증착되어진 것을 확인할 수 있다.
- 이러한 단점을 개선하기 위하여, 본 논문에서는 DLC 박막과 실리콘(Si) 기판 사이에 티타늄(Ti), 니켈 (Ni), 크롬(Cr)을 중간층으로 사용해서 DLC 박막의 기계적 특성을 연구했다. 금속층을 포함하는 DLC 박막과 순수 DLC 박막은 유사한 기계적 특성을 갖으며, 금속층을 포함시킴으로써 DLC 박막의 고유한 특성인 내부응력을 감소시켰다.
- 이로써 DLC 박막 아래에 매우 얇은 금속층의 존재를 확인하였고, 얇은 금속층이 DLC 박막의 표면 거칠기에 영향을 주는 것을 알 수 있다. 또한 각 박막들을 FFM으로 분석해 본 결과 마찰 계수가 감소하였고, 얇은 금속층을 포함하여도 DLC 박막의 hardness에는 변화가 없는 것을 nano-indanter 결과로 확인 하였다. DLC 박막의 하층에 얇은 금속층이 존재해도 기계적 특성은 변화하지 않음을 알 수 있다.
- DLC 박막의 하층에 얇은 금속층이 존재해도 기계적 특성은 변화하지 않음을 알 수 있다. 마지막으로, stress tester 분석 결과를 통하여 DLC 박막의 단점인 잔류응력 문제도 금속층을 포함할 때 향상되는 것을 확인 할 수 있었다.
- 세 가지 금속층 모두 DLC 박막 증착 후 표면 거칠기가 감소하는 것을 나타내었지만, 특히 크롬의 경우에 가장 두드러진 변화를 나타내었다. 본 실험에서는 기판과 DLC 박막 사이에 금속층을 포함하지만 표면이 매우 부드러운 DLC 박막을 얻을 수 있었으며 (RMS roughness < 0.4 nm), Peak to valley와 RMS roughness 값이 크롬층을 사용했을 때 최소의 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
- 결과를 보여주고 있다. 본 실험을 통하여 합성한 DLC 박막은 일반적 인 DLC 박막의 잔류응력 (2~3 GPa)값보다 매우 작은 잔류응력 값(0.1~0.3 GPa)을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
- 이 결과를 그림 3에 그래프에 정리하였다. 세 가지 금속층 모두 DLC 박막 증착 후 표면 거칠기가 감소하는 것을 나타내었지만, 특히 크롬의 경우에 가장 두드러진 변화를 나타내었다. 본 실험에서는 기판과 DLC 박막 사이에 금속층을 포함하지만 표면이 매우 부드러운 DLC 박막을 얻을 수 있었으며 (RMS roughness < 0.
- XRD 분석을 나타내었다. 얇은(10 nm) 금속층의 XRD 패턴은 각각 Cr(110), Ni(111), Ti(101) 방향으로 결정성을 나타내고 있으며, DLC 박막 합성 전후의 XRD 피크의 위치가 같은 것으로 보아 DLC 박막의 합성은 금속층 결정성과는 무관하다고 할 수 있다.
- 증착된 금속층 위에 DLC 박막을 합성함으로써 막의 표면 거칠기가 변화된 것올 AFM 분석 결과를 통해 확인할 수 있었으며, XRD의 분석을 통하여 10 nm 두께의 금속층과 그 위에 DLC 박막 증착 전후의 XRD 패턴을 확인하였다. 이로써 DLC 박막 아래에 매우 얇은 금속층의 존재를 확인하였고, 얇은 금속층이 DLC 박막의 표면 거칠기에 영향을 주는 것을 알 수 있다. 또한 각 박막들을 FFM으로 분석해 본 결과 마찰 계수가 감소하였고, 얇은 금속층을 포함하여도 DLC 박막의 hardness에는 변화가 없는 것을 nano-indanter 결과로 확인 하였다.
- SEM 이미지를 통하여 10 nm 두께의 금속층(Cr, Ni, Ti) 위에 20 nm 두께의 DLC 박막이 증착되어진 것을 확인하였다. 증착된 금속층 위에 DLC 박막을 합성함으로써 막의 표면 거칠기가 변화된 것올 AFM 분석 결과를 통해 확인할 수 있었으며, XRD의 분석을 통하여 10 nm 두께의 금속층과 그 위에 DLC 박막 증착 전후의 XRD 패턴을 확인하였다. 이로써 DLC 박막 아래에 매우 얇은 금속층의 존재를 확인하였고, 얇은 금속층이 DLC 박막의 표면 거칠기에 영향을 주는 것을 알 수 있다.
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