[논문]MPCVD법으로 증착된 다이아몬드 박막 특성에 미치는 메탄가스의 영향

송진수; 남태운

doi:10.4313/jkem.2011.24.3.229

MPCVD법으로 증착된 다이아몬드 박막 특성에 미치는 메탄가스의 영향
Effect of Methane Gases on the Properties of Diamond Thin Films Synthesized by MPCVD 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.24 no.3, 2011년, pp.229 - 233

송진수 (중소기업진흥공단 컨설팅사업처) , 남태운 (한양대학교 금속재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Diamond thin films were deposited on pretreated Co cemented tungsten carbide (WC-6%Co) inserts as substrate by microwave plasma chemical vapor deposition (MPCVD) system, equipped with a 915MHz, 30kW generator for generating a large-size plasma. The substrates were pretreated with two solutions Murakami solution $[KOH:K_3Fe(CN)_6:H_2O]$ and nitric solution $[HNO_3:H_2O]$ to etch, WC and Co at cemented carbide substrates, respectively. The deposition experiments were performed at an input power of 10 kW and in a total pressure of 100 torr. The influence of various $CH_4$ contents on the crystallinity and morphology of the diamond films deposited in MPCVD was investigated using scanning electron microscopy (SEM) and Raman spectroscopy. The diamond film synthesized by the $CH_4$ plasma shows a triangle-faceted (111) diamond. As $CH_4$ contents was increased, the thickness of diamond films increased and the faceted planes disappeared. Finally, Faceted diamond changed into nano-crystalline diamond with random crystallinity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 다이아몬드 기상합성 시 메탄량이 CVD 다이아몬드 결정성과 결정립 성장 속도 그리고 CVD 다이아몬드 형상에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 메탄량을 제외한 나머지 변수들 즉, 입력 전력, 증착 시간, 가스 압력, 수소량에 의한 영향을 최소화하기 위해 표 1과 같이 값을 고정시켰다.
본 연구의 목적은 마이크로웨이브 플라즈마 기상화학증착법으로 WC-Co 초경공구의 표면에 다이아몬드 필름을 증착하여 초경공구의 성능을 개선하는 것이다. 특히, 공정 가스량이 다이아몬드 결정 입자 형상에 미치는 영향을 고찰하고자 한다.
무라카미 용액 및 질산에서 부식한 시편은 다이아몬드를 증착하기 전에 핵생성 촉진 및 흑연 생성을 최소화하기 위해 다이아몬드 에멀젼과 알루미늄나이트레이트 용액에서 처리하였다. 시편을 약 50 ㎚ 다이아몬드 분말의 에멀젼 (emulsion)에 넣고 초음파를 이용하여 WC 표면에 스크래치를 형성시켜 핵생성 사이트를 제공할 목적으로 40분간 수행하였으며, 최종적으로 알루미늄나이트레이트 용액에 수 십분간 처리를 함으로써 증착 과정에서 모재의 온도 상승 시 모재 내부의 코발트가 표면으로 확산되는 것을 방지하고자 하였다 [12].
본 연구의 목적은 마이크로웨이브 플라즈마 기상화학증착법으로 WC-Co 초경공구의 표면에 다이아몬드 필름을 증착하여 초경공구의 성능을 개선하는 것이다. 특히, 공정 가스량이 다이아몬드 결정 입자 형상에 미치는 영향을 고찰하고자 한다.

제안 방법

CVD 다이아몬드 코팅에 미치는 메탄의 영향을 관찰하기 위해 10 kW의 입력 전력에 공정압력 100 torr, 수소 2,000 sccm 공정 조건에서 1시간 동안 메탄량 만을 변화시키면서 증착하였다. 그림 1은 WC-6%Co 인서트의 표면에 증착된 다이아몬드의 미세조직 사진이다.
마이크로웨이브 플라즈마 기상화학증착법에서 입력 전력 10 kW, 공정 압력 100 torr에서 반응 가스 변화에 따른 다이아몬드 코팅의 특성 관찰을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 다이아몬드 기상합성 시 메탄량이 CVD 다이아몬드 결정성과 결정립 성장 속도 그리고 CVD 다이아몬드 형상에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 메탄량을 제외한 나머지 변수들 즉, 입력 전력, 증착 시간, 가스 압력, 수소량에 의한 영향을 최소화하기 위해 표 1과 같이 값을 고정시켰다. 특히 흑연의 생성량을 최소화하기 위해 수소 공급량은 2,000 sccm으로 충분히 공급하였다.
무라카미 용액 및 질산에서 부식한 시편은 다이아몬드를 증착하기 전에 핵생성 촉진 및 흑연 생성을 최소화하기 위해 다이아몬드 에멀젼과 알루미늄나이트레이트 용액에서 처리하였다. 시편을 약 50 ㎚ 다이아몬드 분말의 에멀젼 (emulsion)에 넣고 초음파를 이용하여 WC 표면에 스크래치를 형성시켜 핵생성 사이트를 제공할 목적으로 40분간 수행하였으며, 최종적으로 알루미늄나이트레이트 용액에 수 십분간 처리를 함으로써 증착 과정에서 모재의 온도 상승 시 모재 내부의 코발트가 표면으로 확산되는 것을 방지하고자 하였다 [12].

대상 데이터

본 실험에서는 가로, 세로 크기가 각각 12.7 ㎜ 크기에 두께가 3.2 ㎜인 WC-6%Co 인서트를 시편으로 사용하였으며 트리클로로에틸렌 (trichloro-ethylene), 아세톤 그리고 이소프로필알코올 (isopropyl alcohol) 용액에서 각각 10분간 초음파 탈지를 하였고, 텅스텐카바이드 부식을 위해서 무라카미 용액 [H₂O:KOH:K₃Fe(CN)₆ = 10:1:1]을 사용하였으며, 코발트 부식을 위해서 35v/o 질산 수용액을 사용하였다 [4,9-11].
본 연구에 사용된 마이크로웨이브 플라즈마 CVD (MPCVD) 장치는 915 MHz에서 30 kW까지 출력이 가능한 마이크로웨이브 발생 장치 (IBF, Germany)와 자체 제작한 반응실로 구성되어 있다.

성능/효과

1) 메탄가스 분압이 증가할수록 반응 라디칼공급량이 증가하여 CVD 다이아몬드의 합성량이 증가하였으며 코팅층이 점차 두껍게 증착되는 것을 알 수 있었다.
2) 메탄가스 분압이 높아질수록 흑연의 생성량이 증가하는 것을 알 수 있었다.
3) 높은 메탄가스 분압에서는 2차 결정립 생성이 촉진되어 나노 결정립 다이아몬드가 형성되는 것을 알 수 있었다.
다이아몬드 필름이 형성된 각 시편의 단면을 관찰한 결과가 그림 3으로 나타나고 있으며 메탄량이 증가함에 따라 박막층의 두께는 점차 더 두꺼워졌고, 다이아몬드의 단면 형상은 주상정의 형태로 성장하는 것을 알 수 있었다. 그리고 메탄량이 증가함에 따라 다이아몬드 결정 입계사이에서 흑연으로 추정되는 물질이 더 많이 관찰되었다 [15].
그림 1은 WC-6%Co 인서트의 표면에 증착된 다이아몬드의 미세조직 사진이다. 미세조직 사진에서 보이는 바와 같이 메탄량이 증가할수록 다이아몬드 합성량이 증가하는 것을 관찰할 수 있다.
그러나 그림 4의 라만 분석에서 보는 바와 같이 1,480 ㎝^-1～1,580 ㎝^-1 영역의 강도가 점차 강하게 나타나고 폭이 넓어지는 것은 흑연의 생성량이 많아지고 있다는 확실한 증거이다. 시편 단면 사진에서 확인이 불가능했던 물질이 라만 분석 결과 흑연인 것을 확인할 수 있었다.
이상의 관찰에서 수소량을 일정하게 공급하는 상태에서 메탄량을 증가시킴에 따라 CVD 다이아몬드 합성량이 증가하여 박막의 두께가 두꺼워지는 것을 관찰할 수 있었으며, 또한 흑연의 생성량이 많아지는 것을 알 수 있었다. 그리고 메탄이 일정량 이상이 되면 이차 핵생성이 촉진되어 나노 결정립 다이아몬드가 형성되는 것도 관찰할 수 있었다.
모재 위에 생성된 다이아몬드는 핵생성 단계를 거쳐 결정립이 성장하는 단계에 있는 것을 알 수 있으며, 결정립들은 서로 합체되어 성장하는 것을 관찰할 수 있다. 일부 다이아몬드 표면에서 작은 다이아몬드가 성장하는 것을 관찰할 수 있는데 이를 통해, WC-6%Co 모재 표면에서 다이아몬드의 성장은 그림 1(a)에 나타나듯이 섬 (island) 형태로 성장하는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	WC-Co 공구에 다이아몬드를 코팅하여 공구의 수명을 연장시키고자 한 연구에서 성과를 이루지 못한 이유는?	WC-Co 공구에 다이아몬드를 코팅하여 공구의 수명을 연장시키고자 하는 많은 연구가 있었으나 큰 성과를 거두지 못한 이유로는 첫째, 바인더로 사용된 코발트에 의한 모재와 다이아몬드 필름간의 밀착력 저하에 의한 것이다 [1]. 둘째는 기상화학증착법에 의해 증착된 코팅층이 재현성이 나쁘거나 증착 필름의 오염 그리고 대면적화의 어려움에 따른 비경제성 때문이다 [2].
	마이크로웨이브 플라즈마법의 장점은?	다양한 기상화학증착법 중에서 최근에 다시 주목을 받고 있는 것이 마이크로웨이브 플라즈마에 의한 다이아몬드 증착법이다. 마이크로웨이브 플라즈마법은 공정의 안정성, 막의 재현성, 높은 에너지 효율 등의 장점을 가지고 있다. 특히, 마이크로웨이브 발생장치가 고출력화 됨으로써 대면적화가 가능하여 상업화 가능성이 대단히 높은 증착법이다 [2].
	코발트의 영향을 최소화하여 밀착력을 향상시키기 위한 방법 중 현재까지 가장 좋은 결과를 보인 방법은?	이와 같은 코발트의 영향을 최소화하여 밀착력을 향상시키기 위해 모재 표면에 존재하는 코발트를 제거하거나 중간층을 형성시켜 코발트의 확산을 억제시키는 방법, 안정적인 코발트 복합물을 형성시키는 방법 등 다양한 방법이 연구되었다. 이들 방법 중 2단계 부식법, 즉 무라카미 용액 부식 후 산 용액으로 부식시키는 방법이 현재까지 가장 좋은 결과를 보이고 있다 [4].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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