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카본 박막의 미세조직에 미치는 HiPIMS 공정조건의 영향
The Effect of HiPIMS Conditions on Microstructure of Carbon Thin Film 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.34 no.4, 2017년, pp.1017 - 1024  

양재웅 (대진대학교 신소재공학과)

초록
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HiPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputtering)를 이용하여 탄소 박막을 증착하였다. 파워, 압력, 바이어스 전압, duty cycle에 따른 탄소 박막의 특성과 미세조직을 조사하였다. HiPIMS 파워가 증가할수록 증착 두께는 증가하였으며 표면이 거칠어지는 경향을 보였다. 압력의 증가 또한 표면이 거칠어지는 경향을 보였으나 증착 두께는 압력에 비례하지 않았다. 바이어스 전압이 증가함에 따라 조도가 나빠졌고 증착 두께는 증가하다가 임계 바이어스 전압부터는 감소하는 경향을 보였다. 듀티 사이클의 변화는 아크 발생과 같은 문제를 유발했으며 이는 챔버 구조나 타겟의 크기 등에 영향을 받는다. XPS로 $sp^2/sp^3$ 분율을 확인하였으며 $sp^2/sp^3$ 분율이 DC 스퍼터링의 경우보다 HiPIMS의 경우가 더 큰 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Carbon thin films were deposited by HiPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputtering). The properties and microstructures of carbon thin film were investigated with power, pressure, bias voltage and duty cycle. As the HiPIMS power increased, the deposition thickness increased and the surface tended to...

주제어

#탄소   #박막   #미세조직   #하이핌스   #dc 스퍼터링   #표면 조도  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 고출력 스퍼터링(HiPIMS; High Power Impulse Magetron Sputtering) 장치를 이용하여 sp2/sp3 분율이 DLC 조직에 비해 2배 이상에 이르는 GLC 조직을 갖는 카본 박막의 형성과 이를 결정하는 공정제어 조건을 연구하여 다공질 graphite 기판 위에 최적의 카본 복합 코팅층을 형성하여 표면결함을 보완하고 미세조직 및 표면 조도 특성을 향상시키는 것에 최종 목적을 두고 있다. 추후 진행될 graphite 기판 위에 카본 복합 코팅층의 형성을 위한 기초 공정조건을 확보하기 위해서 카본 박막과의 경계면이 뚜렷하고 표면조도가 양호한 Si 기판 위에 탄소 박막을 형성하였으며 다양한 공정조건에 의한 코팅층의 미세조직 및 특성을 조사한 후 이를 바탕으로 최적의 공정조건을 연구하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
열분해탄소의 장단점은? 또한, VDR 공정에서 Si 증착반응 온도는 1400℃ 이상의 고온이며 유리성형 온도 또한 600℃ 이상의 온도이기 때문에 graphite 상의 안정한 박막으로는 GLC(Graphite-like Carbon)나 열분해탄소(pyrolytic carbon)의 합성이 요구되며 이에 대한 요소기술의 개발이 필요하다. 그러나 GLC에 비해서 열분해탄소의 경우, graphite와 결정은 비슷하지만 합성 시 불안정성으로 인하여 그래핀(graphene) 단일막 사이에 공유결합을 하면서 운모(mica)처럼 쪼개짐면 방향으로 성장하며 모자이크 quasi-결정체를 이루게 되며 이러한 이방성의 원인으로 표면조도가 매우 높은 단점을 갖는 반면에 장점으로는 수평방향으로의 열전달계수가 graphite보다도 수배에 이르는 특성을 갖게 된다[3]. 일반적으로 단단한 카본 박막은 다이아몬드 구조를 갖는 sp3 결합의 비율이 높아야 하며 sp2 결합의 비율이 많은 박막은 연하다고 알려져 있으며 GLC 박막은 화학적으로 불활성이고 낮은 내부 응력 때문에 우수한 내마모성을 갖으며 열역학적으로 안정하여 생체적 합성을 이룬다고 알려져 있다[4-7].
PVD 방법에 의해 형성된 카본 박막은 400℃ 이상에서 어떻게 되는가? 따라서 공공을 메우는 표면 개질 기술은 매우 중요하며 이를 통해 경도의 증가 및 표면 조도의 향상과 함께 내마모성을 향상시킬 수 있는 박막제조 기술과 관련된 연구의 필요성이 증가하고 있다. 보통, PVD(Physical Vapor Deposition)방법에 의해 형성된 매우 얇은 카본 박막은 sp3 구조가 지배적인 DLC(Diamond-like Carbon) 비정질 조직으로 주로 합성되지만 400℃ 이상에서 불안정하여 대부분 sp2 구조를 갖는 graphite 결정질로 변태하게 되어 계면에서의 박리현상과 함께 부서지게 된다[1,2]. 또한, VDR 공정에서 Si 증착반응 온도는 1400℃ 이상의 고온이며 유리성형 온도 또한 600℃ 이상의 온도이기 때문에 graphite 상의 안정한 박막으로는 GLC(Graphite-like Carbon)나 열분해탄소(pyrolytic carbon)의 합성이 요구되며 이에 대한 요소기술의 개발이 필요하다.
공공을 메우는 표면 개질 기술이 중요한 이유는? 유리 성형에 사용되는 흑연(graphite) 금형은 표면에 공공(pore) 등의 결함이 존재하며 Si의VDR(Vapor Deposition Reaction) 증착 반응 및 내부 확산에 의한 SiC 합성 이후에도 표면에 결함이 남는다. 따라서 공공을 메우는 표면 개질 기술은 매우 중요하며 이를 통해 경도의 증가 및 표면 조도의 향상과 함께 내마모성을 향상시킬 수 있는 박막제조 기술과 관련된 연구의 필요성이 증가하고 있다.
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참고문헌 (8)

  1. J. Robertson, "Diamond-like amorphous carbon", Mater. Sci. Eng. Rep., Vol.37, pp.129-138, (2002). 

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  2. T. Zaharia, P. Kudlacek, M. Creatore, R. Groenen, P. Persoone, M.C.M. van deSanden, "Improved adhesion and tribological properties of fast-deposited hard graphite-like hydrogenated amorphous carbon films", Diamond and Related Materials, Vol.20, pp.1266-1272, (2011). 

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  3. G.A.J. Amaratunga, M. Chhowalla, C.J. Kiely, I. Alexandrou, R. Aharonov, R.M. Devenish, "Hard elastic carbon thin films from linking of carbon nano particles", Nature, Vol.383, pp.321-326, (1996). 

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  4. Y.S. Park, H.S. Myung, J.G. Han, B. Hong, "The electrical and structural properties of the hydrogenated amorphous carbon films grown by close field unbalanced magnetron sputtering", Thin Solid Films, Vol.482, pp.275-282, (2005). 

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  5. H.X. Li, T. Xu, J.M. Chen, H.D. Zhou, H.W. Liu, "The effect of applied dc bias voltage on the properties of aC: H films prepared in a dual dc-rf plasma system", Applied Surface Science, Vol.227, pp.364-370, (2004). 

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  6. M. Rybachuk, J.M. Bell, "The effect of sp2 fraction and bonding disorder on micro-mechanical and electronic properties of aC: H films", Thin Solid Films, Vol,515, pp.7855-7861, (2007). 

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  7. R. Olivares, S.E. Rodil, H. Arzate, "Osteo-induction properties of graphite-like amorphous carbon films evaluated in-vitro", Diamond and Related Materials, Vol.16, pp.1858-1865, (2007). 

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  8. Meidong Huang, Xuequian Zhang, Peiling Ke, Aiying Wang, "Graphite-like carbon films by high power impulse magnetron sputtering", Applied Surface Science, Vol.283, pp.321-328, (2013). 

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