2.45 GHz 마이크로웨이브를 사용하는 전자회전공명 플라즈마를 이용하여 화학적 기상증착(electron cyclotron resonance plasma enhanced chemical vapor deposition; ECR-PECVD) 방법으로 ECR 마이크로웨이브 power, CH$_4$/H$_2$가스 혼합비와 유량, 증착시간, 그리고 기판 bias 전압 등을 변화시켜 가면서 수소가 함유된 비정질 탄소(a-C:H) 박막을 증착하였고, 증착시킨 박막의 특성을 AES(Auger electron spectroscopy), ERDA(elastic recoildetection analysis), FTIR(Fourier transform infrared) 및 Raman 측정 등으로 조사하였다. 증착시킨 a-C:H 박막은 탄소 및 수소원소들로만 구성되어 있음을 AES 측정으로 확인하였다. 그리고 FTIR 측정으로부터 a-C:H 박막은 대부분 sp$^3$결합을 하고 있고 일부는 sp$^2$결합을 하고 있음을 확인하였으며, CH$_4$/H$_2$가스 혼합비와 유량의 변화가 a-C:H 박막의 탄소와 수소의 결합구조에 큰 영향을 미치지 않았으며, 다만 증착시간이 증가할수록 탄소와 수소 원자들의 결합구조가 $CH_3$구조에서 CH$_2$나 CH 구조로 변하고 있음을 알았다. 또한 Raman 스펙트럼의 Gaussian curve fitting을 통하여 sp$^3$/sp$^2$의 결합수에 비례하는 D 및 G peak의 면적 강도비(I$_{D}$/l$_{G}$)는 기판 bias 전압을 증가시킬수록 증가하였으며, 경도도 역시 증가하였다.하였다.
2.45 GHz 마이크로웨이브를 사용하는 전자회전공명 플라즈마를 이용하여 화학적 기상증착(electron cyclotron resonance plasma enhanced chemical vapor deposition; ECR-PECVD) 방법으로 ECR 마이크로웨이브 power, CH$_4$/H$_2$가스 혼합비와 유량, 증착시간, 그리고 기판 bias 전압 등을 변화시켜 가면서 수소가 함유된 비정질 탄소(a-C:H) 박막을 증착하였고, 증착시킨 박막의 특성을 AES(Auger electron spectroscopy), ERDA(elastic recoil detection analysis), FTIR(Fourier transform infrared) 및 Raman 측정 등으로 조사하였다. 증착시킨 a-C:H 박막은 탄소 및 수소원소들로만 구성되어 있음을 AES 측정으로 확인하였다. 그리고 FTIR 측정으로부터 a-C:H 박막은 대부분 sp$^3$결합을 하고 있고 일부는 sp$^2$결합을 하고 있음을 확인하였으며, CH$_4$/H$_2$가스 혼합비와 유량의 변화가 a-C:H 박막의 탄소와 수소의 결합구조에 큰 영향을 미치지 않았으며, 다만 증착시간이 증가할수록 탄소와 수소 원자들의 결합구조가 $CH_3$구조에서 CH$_2$나 CH 구조로 변하고 있음을 알았다. 또한 Raman 스펙트럼의 Gaussian curve fitting을 통하여 sp$^3$/sp$^2$의 결합수에 비례하는 D 및 G peak의 면적 강도비(I$_{D}$/l$_{G}$)는 기판 bias 전압을 증가시킬수록 증가하였으며, 경도도 역시 증가하였다.하였다.
Hydrogenated amorphous carbon films were deposited by ERC-PECVD with deposition conditions, such as ECR power, gas composition of methane and hydrogen, deposition time, and substrate bias voltage. The characteristics of the film were analyzed using the AES, ERDA, FTIR. Raman spectroscopy and micro h...
Hydrogenated amorphous carbon films were deposited by ERC-PECVD with deposition conditions, such as ECR power, gas composition of methane and hydrogen, deposition time, and substrate bias voltage. The characteristics of the film were analyzed using the AES, ERDA, FTIR. Raman spectroscopy and micro hardness tester. From the results of AES and ERDA, the elements in the deposited film were confirmed as carbon and hydrogen atoms. FTIR spectroscopy analysis shows that the atomic bonding structure of a-C:H film consisted of sp³and sp²bonding, most of which is composed of sp³bonding. The structure of the a-C:H films changed from CH₃bonding to CH₂or CH bonding as deposition time increased. We also found that the amount of dehydrogenation in a-C:H films was increased as the bias voltage increased. Raman scattering analysis shows that integrated intensity ratio (ID/IG) of the D and G peak was increased as the substrate bias voltage increased, and films hardness was increased.
Hydrogenated amorphous carbon films were deposited by ERC-PECVD with deposition conditions, such as ECR power, gas composition of methane and hydrogen, deposition time, and substrate bias voltage. The characteristics of the film were analyzed using the AES, ERDA, FTIR. Raman spectroscopy and micro hardness tester. From the results of AES and ERDA, the elements in the deposited film were confirmed as carbon and hydrogen atoms. FTIR spectroscopy analysis shows that the atomic bonding structure of a-C:H film consisted of sp³and sp²bonding, most of which is composed of sp³bonding. The structure of the a-C:H films changed from CH₃bonding to CH₂or CH bonding as deposition time increased. We also found that the amount of dehydrogenation in a-C:H films was increased as the bias voltage increased. Raman scattering analysis shows that integrated intensity ratio (ID/IG) of the D and G peak was increased as the substrate bias voltage increased, and films hardness was increased.
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제안 방법
2.45 GHz 마이크로웨이브를 사용하는 전자회전공명 플라즈마를 이용하여 화학적 기상증착 방법으로 ECR 마이크로웨이브 power, CHVH2 가스 혼합비와 유량, 증착시간, 그리고 기판 bias 전압 등을 변화시켜 가면서 수소가 함유된 비정질 탄소 (a-C:H) 박막을 증착하였고, 증착시킨 박막의 특성을 AES, ERD, FTIR, Raman 및 미소경도측정 등으로 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 ECR-PECVD 장치를 이용하여 ECR power, CH4/H2 가스 혼합비와 유량, 증착시간, 기판 bias 전압 등의 증착조건을 변화 시켜가면서 박막을 증착하였고, AES, ERDA, FTIR Raman 스펙트럼 그리고 미소경도 등을 측정 및 분석하여 증착조건이 박막의 특성 변화에 미치는 영향을 조사하였다.
박막의 성분분석은 AES을 이용하였고, Si 기판 위에 증착된 a-C:H 박막의 미소경도는 nano indentation 방법으로 측정하였다. 수소함량은 박막표면을 헬륨이온에 대해 75° 기울인 상태로 놓고 전방(헬륨이온 입사각에 대해 30° )으로 되튐되는 수소원소를 ERDA의 검출기를 이용하여 측정하였으며, 이때 헬륨이온의 에너지는 2.5 MeV로 하였다.
탄소와 수소의 결합구조를 분석하기 위한 IR 흡수 스펙트럼은 2600~3200 cm 1 범위에서 FTIR 분광계로 측정하였으며, 탄소와 탄소의 결합구조를 분석하기 위하여 1000-1800 cm 1 범위에서 Raman 분광계를 이용하였다. 박막의 성분분석은 AES을 이용하였고, Si 기판 위에 증착된 a-C:H 박막의 미소경도는 nano indentation 방법으로 측정하였다.
ECR-PECVD 장치를 사용하며[12] ECR 소스로 부터 150 mm 떨어진 거리에 기판을 설치하고 a-C:H 박막을 증착하였으며, 박막 제조시 사용된 기판은 4" 크기의 (100)면을 가진 Si wafer이었고, 박막을 제조하기 전에 진공중에서 플라즈마 전처리를 실시하였다. 플라즈마 전처리는 아르곤을 150 seem 주입하여 5x10 3 torr의 진공도를 유지시키면서 ECR power를 700 W로 고정하고, bias 전압 을 -300 V로 하여 5 분 동안 기판을 청정하였다. 증착변수는 표 1에 나타난 것처럼 4개이며, 하나의 변수를 변화시킬 때 다른 3개의 변수는 고정하였다.
대상 데이터
ECR-PECVD 장치를 사용하며[12] ECR 소스로 부터 150 mm 떨어진 거리에 기판을 설치하고 a-C:H 박막을 증착하였으며, 박막 제조시 사용된 기판은 4" 크기의 (100)면을 가진 Si wafer이었고, 박막을 제조하기 전에 진공중에서 플라즈마 전처리를 실시하였다. 플라즈마 전처리는 아르곤을 150 seem 주입하여 5x10 3 torr의 진공도를 유지시키면서 ECR power를 700 W로 고정하고, bias 전압 을 -300 V로 하여 5 분 동안 기판을 청정하였다.
이론/모형
a-C:H 박막 내의 탄소 결합구조를 파악하기 위하여, 서로 다른 결합형태를 구분하는데 유용한 방법인 Raman 분광분석[21]을 하였다. 일반적으로 a-C:H 박막에 대한 Raman 스펙트럼에는 2개의 특정 peak이 나타나는데, 이를 D peak과 G peak이라고 부른다.
범위에서 Raman 분광계를 이용하였다. 박막의 성분분석은 AES을 이용하였고, Si 기판 위에 증착된 a-C:H 박막의 미소경도는 nano indentation 방법으로 측정하였다. 수소함량은 박막표면을 헬륨이온에 대해 75° 기울인 상태로 놓고 전방(헬륨이온 입사각에 대해 30° )으로 되튐되는 수소원소를 ERDA의 검출기를 이용하여 측정하였으며, 이때 헬륨이온의 에너지는 2.
지금까지 a-C:H 박막을 제조하기 위한 다양한 방법이 시도되었으며[4-9], 본 연구에서는 ECR- PECVD 방법을 사용하였다[10-12]. 이 방법은 최근에 많이 이용되고 있는 방법으로 이온화율이 높 을 뿐만 아니라 상온에서도 성막이 가능하며 특히, 넓은 진공도 영역에서 플라즈마 공정이 가능하다는 장점이 있다.
성능/효과
1. 증착시킨 a-C:H 박막은 탄소 및 수소원소들로만 구성되어 있음을 AES 측정으로 확인하였다.
2. FTER 측정으로부터 a-C:H 박막은 대부분 sp3 결합을 하고 있고 일부는 sp2 결합을 하고 있음을 확인하였으며, CHVH2 가스 혼합비와 유량의 변화가 a-C:H 박막의 탄소와 수소의 결합구조에 큰 영향을 미치지 않았으며, 다만 증착시간이 증가할수록 탄소와 수소 원자들의 결합구조가 CB 구조에서 CH2나 CH 구조로 변하고 있음을 알았다.
3. ERD 분석으로부터 기판 bias 전압을 증가시킬수록 플라즈마에 의한 이온충돌 현상이 두드러져 탄소와 결합하고 있던 수소원자들이 떨어져 나가는 탈수소화 현상을 확인할 수 있었다.
4. Raman 스펙트럼의 Gaussian curve fitting을 통하여 sp3/sp2의 결합수에 비례하는 D 및 G peak 의 면적 강도비(IDIG)는 기판 bias 전압을 증가시킬수록 증가하였으며, 또한 경도도 증가하였다.
이것은 a-C:H 박막을 이루고 있는 탄소와 수소 원자들의 결합이 CHs 결합으로부터 CH2 나 CH 결합 으로 변하고 있음을 의미한다. a-C:H 박막의 경우 기판온도에 따라 결합구조가 변화되는데, 열처리에 따른 기판온도가 400 ℃ 이상이 되면 탈수소화가 일어나면서 결합구조가 sp3에서 sp2로 변화되는 것으로 보고되어지고 있으나[20], 본 실험에서는 박막 형성시 기판 온도가 약 80 ℃ 밖에 되지 않았 음에도 탈스소화 현상이 일어남을 알 수 있다. 이것은 ECR-PECVD의 경우에 낮은 온도에서 탈수 소화 현상이 일어났지만 sp3 결합구조로 a-C:H 박막이 성장된다는 것을 보여주는 것으로 본 장치의 장점이라고 말할 수 있다.
그림 10은 기판 bias 전압을 변화시키면서 제작 한 DLC 박막의 경도시험 결과를 나타낸 것이다. 기판 bias 전압을 인가하지 않았을 때 경도가 1569 kg/mm2 이었으나, bias 전압을 -50 V로 증가시켰을 때 경도는 2189 kg/mm2 였으며, bias 전압을 -75, _100 V로 bias 전압의 크기를 증가시켰을 때는 2393 kg/mm2로 최고의 값을 가지면서 거의 포화되는 경향을 보여 주었다. 이 결과로 기판 bias 전압에 따른 이온충돌 현상이 박막의 특성 변화에 영향을 크게 미침을 알 수 있고, 이온충돌에 적절한 기판 bias 전압은 -75~100 V 사이 임을 알 수 있다.
가스 혼합비와 유량을 변화시키면서 제작한 a-C:H 박막의 FTIR 스팩트럼이다. 메탄 가스의 양이 수소 가스의 양에 대하여 상대적으로 증가함에도 불구하고 그림 2의 경우와 동일한 peak들이 관측되었고, peak의 상대강도는 Ca 가스가 10 seem 까지는 크게 증가함을 볼 수 있으나, 그 이상에서는 미소하게 증가하였다. H2 가스는 100 seem으로 고정하고, CH4 가스는 5~50 seem으로 가스 혼합비와 유량을 변화 시켰으며, 이때의 진공도는 9.
기판 bias 전압을 인가하지 않았을 때 경도가 1569 kg/mm2 이었으나, bias 전압을 -50 V로 증가시켰을 때 경도는 2189 kg/mm2 였으며, bias 전압을 -75, _100 V로 bias 전압의 크기를 증가시켰을 때는 2393 kg/mm2로 최고의 값을 가지면서 거의 포화되는 경향을 보여 주었다. 이 결과로 기판 bias 전압에 따른 이온충돌 현상이 박막의 특성 변화에 영향을 크게 미침을 알 수 있고, 이온충돌에 적절한 기판 bias 전압은 -75~100 V 사이 임을 알 수 있다. 그리고 이 결과는 기판 bias 전압을 크게 인가할수록 더 큰 에너지를 가진 이온들이 기판에 형성되고 있는 박막 표면과 충돌하기 때문에 탄소와 결합하고 있던 수소원자들이 떨어져 나가고, 수소와 결합이 끊어진 탄소 원자들은 다른 탄소 원자들의 dangling bond 들과 결합하여 3차원적 cross-link를 형성시켜 나가면서 내부 압축응력을 증가시키기 때문으로 생각된다.
본 실험에서 증 착한 모든 박막은 플라즈마 전처리를 실행하였고, AES 분석장치 자체의 오차율을 고려한다면 미량의 산소원소는 무시할 수 있을 것으로 생각된다. 이 결과로부터 AES로 측정할 수 있는 원소 중에서 박막 내에 있는 구성원소는 탄소원소뿐임을 확인할 수 있었다. 때려내기 시간의 차이는 박막의 증착조건에 따른 두께와 밀도의 차이 때문으로 판단된다.
그림 9에 나타낸 D와 G peak의 Id/Ig 는 기판 bias 전압을 인가하지 않았을 때보다 bias 전압을 -50, -75, -100 V로 변화시킬수록 즉 기판 bias 전압의 크기를 증가시킬수록 증가하였다. 이 결과로부터 기판 bias 전압의 크기를 증가시킬수록 본 연구에서 제작된 비정질 탄소 박막은 DLC 특성이 향상됨을 알 수 있다.
후속연구
그리고 본 논문에는 제시하지 않았지만 표 1의 모든 증착조건에서 만들어진 박막의 AES에 의한 조성은 때려내기 시간의 차이만 있을 뿐이고, 구성 성분은 그림 1과 같이 측정되었다. 본 실험에서 증 착한 모든 박막은 플라즈마 전처리를 실행하였고, AES 분석장치 자체의 오차율을 고려한다면 미량의 산소원소는 무시할 수 있을 것으로 생각된다. 이 결과로부터 AES로 측정할 수 있는 원소 중에서 박막 내에 있는 구성원소는 탄소원소뿐임을 확인할 수 있었다.
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