The effect of DC bias on the growth of nanocrystalline diamond films on silicon substrate by microwave plasma chemical vapor deposition has been studied varying the substrate temperature (400, 500, 600, and $700^{\circ}C$), deposition time (0.5, 1, and 2h), and bias voltage (-50, -100, -1...
The effect of DC bias on the growth of nanocrystalline diamond films on silicon substrate by microwave plasma chemical vapor deposition has been studied varying the substrate temperature (400, 500, 600, and $700^{\circ}C$), deposition time (0.5, 1, and 2h), and bias voltage (-50, -100, -150, and -200 V) at the microwave power of 1.2 kW, working pressure of 110 torr, and gas ratio of Ar/1%$CH_4$. In the case of low negative bias voltages (-50 and -100 V), the diamond particles were observed to grow to thin film slower than the case without bias. Applying the moderate DC bias is believed to induce the bombardment of energetic carbon and argon ions on the substrate to result in etching the surfaces of growing diamond particles or film. In the case of higher negative voltages (-150 and -200 V), the growth rate of diamond film increased with the increasing DC bias. Applying the higher DC bias increased the number of nucleation sites, and, subsequently, enhanced the film growth rate. Under the -150 V bias, the height (h) of diamond films exhibited an $h=k{\sqrt{t}}$ relationship with deposition time (t), where the growth rate constant (k) showed an Arrhenius relationship with the activation energy of 7.19 kcal/mol. The rate determining step is believed to be the surface diffusion of activated carbon species, but the more subtle theoretical treatment is required for the more precise interpretation.
The effect of DC bias on the growth of nanocrystalline diamond films on silicon substrate by microwave plasma chemical vapor deposition has been studied varying the substrate temperature (400, 500, 600, and $700^{\circ}C$), deposition time (0.5, 1, and 2h), and bias voltage (-50, -100, -150, and -200 V) at the microwave power of 1.2 kW, working pressure of 110 torr, and gas ratio of Ar/1%$CH_4$. In the case of low negative bias voltages (-50 and -100 V), the diamond particles were observed to grow to thin film slower than the case without bias. Applying the moderate DC bias is believed to induce the bombardment of energetic carbon and argon ions on the substrate to result in etching the surfaces of growing diamond particles or film. In the case of higher negative voltages (-150 and -200 V), the growth rate of diamond film increased with the increasing DC bias. Applying the higher DC bias increased the number of nucleation sites, and, subsequently, enhanced the film growth rate. Under the -150 V bias, the height (h) of diamond films exhibited an $h=k{\sqrt{t}}$ relationship with deposition time (t), where the growth rate constant (k) showed an Arrhenius relationship with the activation energy of 7.19 kcal/mol. The rate determining step is believed to be the surface diffusion of activated carbon species, but the more subtle theoretical treatment is required for the more precise interpretation.
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문제 정의
다이아몬드 입자 생성 단계부터 박막 형성 단계까지의 성장 과정에 대한 연구는 소홀히 다루어져 왔다. NCD 입자 및 박막의 성장기구와 그 응용에 대해서 연구해 온 본 연구팀8-10)은 이번 연구에서 MPCVD 방법을 이용한 NCD 박막의 단점 중 하나인 낮은 성장속도를 개선하기 위하여 직류 바이어스를 인가하여 높은 핵생성 밀도를 유지하고 성장속도를 높여 완전한 박막을 형성하는 시간을 단축하는 연구를 수행하고, 나노결정질 다이아몬드 박막 증착 시 직류 바이어스가 다이아몬드 입자의 핵생성 밀도와 성장속도에 미치는 영향을 알아보았다.
제안 방법
MPCVD 시스템을 사용하여 나노결정질 다이아몬드 박막을 증착하였다. 전처리 후 실리콘 기판을 기판지지대 중앙에 위치시키고 로터리 펌프를 사용하여 초기 진공을 약 5.
실리콘 기판 위에 마이크로웨이브 플라즈마 화학 기상증착법을 이용하여 DC 바이어스 전압을 변화시키며 나노결정질 다이아몬드 박막을 증착하여 다이아몬드 입자와 박막의 성장에 대해 연구하였다. 낮은 음의 바이어스(50 V, 100 V)를 인가한 경우, 증착속도가 오히려 근소하게 감소되었는데 이는 이온 포격에 의한 스퍼터링 효과나 플라즈마 특성의 변화 때문으로 해석된다.
대상 데이터
본 연구에서는 (100) 방향의 2인치 n형 Si 웨이퍼를 기판으로 사용하였다. Si 웨이퍼를 BOE(HF : H2O : NH4F, Buffered Oxide Etch) 용액에 넣고 1분간 초음파처리를 하여 표면산화층을 제거하고 아세톤과 메탄올로 각 3분간 초음파 세정을 하였다.
이론/모형
시편의 표면과 단면의 형상과 미세구조를 관찰하고 다이아몬드 입자 및 박막의 두께를 관찰하기 위하여 히타치 S-4700 전계방사주사전자현미경(FESEM)을 사용하였다. 다이아몬드 박막의 표면거칠기를 시마즈 SPA-400 원자간력현미경(AFM)을 사용하여 10 µm2 면적을 스캔하여 측정하였다.
성능/효과
이는 바이어스가 커질수록 플라즈마 내의 탄소 및 아르곤 이온들이 더 큰 에너지로 기판에 포격되어 다이아몬드 입자의 핵 밀도를 두 자리 숫자 이상으로 증가시키고 다이아몬드 박막 형성 이후에는 다이아몬드 입자의 2차 핵생성을 촉진하여 입자 및 박막의 성장을 가속시킨 것으로 해석된다. −150 V 바이어스 하에서 다이아몬드 박막의 높이(h)는 증착시간(t)과 h = #의 관계를 보였으며, 성장속도 상수 k의 온도의존성으로부터 다이아몬드 박막 성장을 위한 활성화에너지 값으로 7.19 kcal/mol이 얻어졌다. 다이아몬드 박막 성장의 율속 단계는 탄소 종의 표면 확산으로 판단되나 정확한 해석을 위해서는 더 정교한 이론적인 예측 결과가 필요하다.
낮은 음의 바이어스(50 V, 100 V)를 인가한 경우, 증착속도가 오히려 근소하게 감소되었는데 이는 이온 포격에 의한 스퍼터링 효과나 플라즈마 특성의 변화 때문으로 해석된다. 150 V 이상의 음의 바이어스를 인가한 경우에는 인가하지 않은 경우에 비해서 빠른 시간에 다이아몬드 입자들이 박막으로 성장하였으며, 박막의 표면 거칠기는 상대적으로 증가하였다. 음의 바이어스 전압이 증가할수록 다이아몬드 박막의 성장속도가 증가하는 것이 관찰되었다.
실리콘 기판 위에 마이크로웨이브 플라즈마 화학 기상증착법을 이용하여 DC 바이어스 전압을 변화시키며 나노결정질 다이아몬드 박막을 증착하여 다이아몬드 입자와 박막의 성장에 대해 연구하였다. 낮은 음의 바이어스(50 V, 100 V)를 인가한 경우, 증착속도가 오히려 근소하게 감소되었는데 이는 이온 포격에 의한 스퍼터링 효과나 플라즈마 특성의 변화 때문으로 해석된다. 150 V 이상의 음의 바이어스를 인가한 경우에는 인가하지 않은 경우에 비해서 빠른 시간에 다이아몬드 입자들이 박막으로 성장하였으며, 박막의 표면 거칠기는 상대적으로 증가하였다.
150 V 이상의 음의 바이어스를 인가한 경우에는 인가하지 않은 경우에 비해서 빠른 시간에 다이아몬드 입자들이 박막으로 성장하였으며, 박막의 표면 거칠기는 상대적으로 증가하였다. 음의 바이어스 전압이 증가할수록 다이아몬드 박막의 성장속도가 증가하는 것이 관찰되었다. 이는 바이어스가 커질수록 플라즈마 내의 탄소 및 아르곤 이온들이 더 큰 에너지로 기판에 포격되어 다이아몬드 입자의 핵 밀도를 두 자리 숫자 이상으로 증가시키고 다이아몬드 박막 형성 이후에는 다이아몬드 입자의 2차 핵생성을 촉진하여 입자 및 박막의 성장을 가속시킨 것으로 해석된다.
음의 바이어스 전압이 증가할수록 다이아몬드 박막의 성장속도가 증가하는 것이 관찰되었다. 이는 바이어스가 커질수록 플라즈마 내의 탄소 및 아르곤 이온들이 더 큰 에너지로 기판에 포격되어 다이아몬드 입자의 핵 밀도를 두 자리 숫자 이상으로 증가시키고 다이아몬드 박막 형성 이후에는 다이아몬드 입자의 2차 핵생성을 촉진하여 입자 및 박막의 성장을 가속시킨 것으로 해석된다. −150 V 바이어스 하에서 다이아몬드 박막의 높이(h)는 증착시간(t)과 h = #의 관계를 보였으며, 성장속도 상수 k의 온도의존성으로부터 다이아몬드 박막 성장을 위한 활성화에너지 값으로 7.
후속연구
19 kcal/mol이 얻어졌다. 다이아몬드 박막 성장의 율속 단계는 탄소 종의 표면 확산으로 판단되나 정확한 해석을 위해서는 더 정교한 이론적인 예측 결과가 필요하다.
이렇게 작은 활성화에너지 값은 성장에 관여하는 플라즈마 내의 탄소 활성종이 C2 분자라는 실험 보고5,13) 및 이론적 연구15)가 발표된 적이 있으나, 측정된 활성화 에너지 값으로부터 다이아몬드 박막 성장 과정을 구성하는 단계 중에서 어느 단계가 전체 성장속도를 결정하는지를 논의하기 위해서는 이론적 연구가 아직 부족한 상태이다. 정확한 논의를 위해서 더 많은 데이터의 수집과 추가적인 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
MPCVD는 무엇인가?
MPCVD(Microwave plasma chemical vapor deposition)는 고품질의 다이아몬드 박막을 재현성 있게 합성할 수 있는 대표적인 증착 방법이다. 이 방법에서 핵생성 밀도는 거울면 기판에서 104cm−2 정도로 매우 낮다.
MPCVD의 한계는 무엇인가?
MPCVD(Microwave plasma chemical vapor deposition)는 고품질의 다이아몬드 박막을 재현성 있게 합성할 수 있는 대표적인 증착 방법이다. 이 방법에서 핵생성 밀도는 거울면 기판에서 104cm−2 정도로 매우 낮다. 이렇게 낮은 입자밀도에서는 입자가 100 µm 이상 성장한 후에 연속된 막이 이루어지고, 증착속도 또한 1 µm/h 이하로 낮아서, 실질적인 박막을 얻는 것이 불가능하다.
BEN은 무엇인가?
1990년대에 Yugo 등1,2)과 Stoner 등3,4)이 MPCVD 장치로 마이크로결정질 다이아몬드(Microcrystalline Diamond; MCD) 박막을 증착할 때에 음의 바이어스 전압을 부여함으로써 핵생성을 촉진할 수 있음을 발표하였다. 이는 BEN(bias enhanced nucleation)으로 알려져 있는데, 통상의 다이아몬드 증착 조건에서 기판 지지대에 음의 직류 전압을 인가하여 다이아몬드 결정의 핵생성을 촉진하는 방법이다. 이로써 스크래치 방법에 비해서 높은 핵생성 밀도를 얻을 수 있다.
참고문헌 (15)
S. Yugo, T. Kanai, T. Kimura, T. Muto, Appl. Phys. Lett., 58 (1991) 1036.
Y. C. Chen, X. Y. Zhong, A. R. Konicek, D. S. Grierson, N. H. Tai, I. N. Lin, B. Kabius, J. M. Hiller, A. V. Sumant, R. W. Carpick, O. Auciello, Appl. Phys. Lett., 92 (2008) 133113.
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