[논문]PECVD로 합성한 다이아몬드상 카본박막의 전기적 특성

최원석; 박문기; 홍병유

doi:10.4313/jkem.2008.21.11.973

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In addition to its similarity to genuine diamond film, diamond-like carbon (DLC) film has many advantages, including its wide band gap and variable refractive index. In this study, DLC films were prepared by the RF PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) method on silicon substrates using ...

In addition to its similarity to genuine diamond film, diamond-like carbon (DLC) film has many advantages, including its wide band gap and variable refractive index. In this study, DLC films were prepared by the RF PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) method on silicon substrates using methane ($CH_4$) and hydrogen ($H_2$) gas. We examined the effects of the RF power on the electrical properties of the DLC films. The films were deposited at several RF powers ranging from 50 to 175 W in steps of 25 W. The leakage current of DLC films increased at higher deposition RF power. And the resistivities of DLC films grown at 50 W and 175 W were $5\times10^{11}$ ${\Omega}cm$ and $2.68\times10^{10}$ ${\Omega}cm$, respectively.

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 메탄과 수소 가스를 반응가스로 사용하여 RF PECVD (Plasma enhanced chemical vapor deposition) 방식으로 합성한 DLC 박막의 합성시 RF 파워에 따른 박막의 전기적 특성 변화를 살펴보았다.
본 논문에서는 메탄과 수소 가스를 반응가스로사용하여 PECVD 방식으로 합성한 DLC 박막의합성 RF 파워에 따른 박막의 전기적 특성을 살펴보았다. RF PECVD를 사용하여 합성한 DLC 박막은 전류-전압 즉정결과를 통해 RF 파워가 증가할수록 누설전류가 증가하는 것을 확인할 수 있었는데 이는 합성시 RF 파워가 증가함에 따라 기판의 DC s사f-bias가 증가하여 DLC 박막 내부의 sp duster size와 밀도가 상승하며 흑연화가 촉진된결과이다.

제안 방법

준비된 기판을 반응기에 넣고펌프를 사용하여 2 mTorr 이하까지 배기 후에 반응기내 플라즈마의 안정화와 기판표면의 불순물제거를 위하여 5분간 1 Torr 분위기에서 80 seem의수소를 사용하여 기판 표면 전처리를 하였다. DLC 박막의 합성시엔 반응기를 1 Torr로 유지시킨 상태에서 메탄과 수소 가스를 각각, 20 seem과 80 seem 씩 유입시키고 동일조건하에 RF 파워를 5 0-175 W로 변화를 주어 DLC 박막을 합성하였다. 합성된 DLC 박막의 전기적 특성분석을 위해 열증발장치 (thermal evaporator)를 사용하여 Si 웨이퍼 후면과 박막 표면에 알루미늄 (A1) 전극을 각각 150 nm 두께로 증착한 AVDLC/c-Si/Al 형태의 MIS 구조 소자를 제작하고 전류-전압 특성을 분석하였다.
water와 10:1의 비율로 희석된 HF 용액에서 45초간 처리하여 Si 기판표면의 자연 산화막을 제거하였다. 준비된 기판을 반응기에 넣고펌프를 사용하여 2 mTorr 이하까지 배기 후에 반응기내 플라즈마의 안정화와 기판표면의 불순물제거를 위하여 5분간 1 Torr 분위기에서 80 seem의수소를 사용하여 기판 표면 전처리를 하였다. DLC 박막의 합성시엔 반응기를 1 Torr로 유지시킨 상태에서 메탄과 수소 가스를 각각, 20 seem과 80 seem 씩 유입시키고 동일조건하에 RF 파워를 5 0-175 W로 변화를 주어 DLC 박막을 합성하였다.
DLC 박막의 합성시엔 반응기를 1 Torr로 유지시킨 상태에서 메탄과 수소 가스를 각각, 20 seem과 80 seem 씩 유입시키고 동일조건하에 RF 파워를 5 0-175 W로 변화를 주어 DLC 박막을 합성하였다. 합성된 DLC 박막의 전기적 특성분석을 위해 열증발장치 (thermal evaporator)를 사용하여 Si 웨이퍼 후면과 박막 표면에 알루미늄 (A1) 전극을 각각 150 nm 두께로 증착한 AVDLC/c-Si/Al 형태의 MIS 구조 소자를 제작하고 전류-전압 특성을 분석하였다.

대상 데이터

DLC 박막의 합성을 위한 반응가스는 메탄 (CHJ 과 수소 (压)를 사용하였다. 2 cm X 2 cm 크기의 p-type Si (100) 기판을 사용하였으며, 기판의 세척은 TCE (trichloroethylene), 아세톤, 메탄올, D.I. water에서 각각 10분간 초음파 세척 후 D.I. water와 10:1의 비율로 희석된 HF 용액에서 45초간 처리하여 Si 기판표면의 자연 산화막을 제거하였다. 준비된 기판을 반응기에 넣고펌프를 사용하여 2 mTorr 이하까지 배기 후에 반응기내 플라즈마의 안정화와 기판표면의 불순물제거를 위하여 5분간 1 Torr 분위기에서 80 seem의수소를 사용하여 기판 표면 전처리를 하였다.
개략도이다. DLC 박막의 합성을 위한 반응가스는 메탄 (CHJ 과 수소 (压)를 사용하였다. 2 cm X 2 cm 크기의 p-type Si (100) 기판을 사용하였으며, 기판의 세척은 TCE (trichloroethylene), 아세톤, 메탄올, D.

성능/효과

그림 6(b)에합성전력의 변화에 따른 DLC 박막의 저항의 변화를 정리하였다. 50 W의 RF 전력에서 합성된 DLC 박막의 경우 5xlOu Qcm의 높은 저항을 갖지만합성전력이 증가할수록 박막의 저항이 작아지며 125, 150, 175 W의 경우 3.2±O.5xlO₁₀ Qcm로 10게] 이상 저항값의 변화가 있음을 확인할 수 있다.
RF PECVD를 사용하여 합성한 DLC 박막은 전류-전압 즉정결과를 통해 RF 파워가 증가할수록 누설전류가 증가하는 것을 확인할 수 있었는데 이는 합성시 RF 파워가 증가함에 따라 기판의 DC s사f-bias가 증가하여 DLC 박막 내부의 sp duster size와 밀도가 상승하며 흑연화가 촉진된결과이다.

참고문헌 (9)

A. Grill, "Diamond-like carbon: state of the art", Diam. Relat. Mater., Vol. 8, p. 428, 1999

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T. Mori and Y. Namba, "Crystal structure of diamondlike carbon films prepared by ionized deposition from methane gas", J. Appl. Phys., Vol. 55, p. 3276, 1984

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K. E. Spear and J. P. Dismukes, "Synthetic Diamond: Emerging CVD Science and Technology", John Wiley & Sons, New York, 1994
J. Robertson, "Amorphous carbon", Curr. Opin. Solid. St. M., Vol. 1, p. 557, 1996

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Y. Lifshitz, G. D. Lempert, S. Rotter, I. Avigal, C. Uzan-Saguy, R. Kalish, J. Kulik, D. Marton, and J. W. Rabalais, "The effect of ion energy on the diamond-like/graphitic ( $sp^{3}/sp^{2}$ ) nature of carbon films deposited by ion beams", Diam. Relat. Mater., Vol. 3, p. 542, 1994

상세보기
J. Robertson, "Electronic structure of diamond- like carbon", Diam. Relat. Mater., Vol. 6, p. 212, 1997

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심경석, 이상렬, "펄스 레이저 증착법을 이용한 내마모성 DLC 박막의 제작 및 특성분석", 전기전자재료학회논문지, 12권, 5호, p. 456, 1999
T. Takeno, H. Miki, T. Takagi, and H. Onodera, "Electrically conductive properties of tungsten-containing diamond-like carbon films", Diam. Relat. Mater., Vol. 15, No. 11-12, p. 1902, 2006

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W. S. Choi, J. Heo, I. Chung, and B. Hong, "The effect of RF power on tribological properties of the diamond-like carbon films", Thin Solids Films, Vol. 475, p. 287, 2005

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