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문제 정의
- 8A/min이었으나, 이는 탄소의 화학적 결합상태에 따라 달라지므로 각 층에 따른 정확한 식각율과 두께를 파악하는데 XPS 분석은 한계가 있었다. 따라서 이러한한계점을 극복하기 위해 본 연구에서는 XRR 분석을 수행하였다.
제안 방법
- 8cmi 였다. DLC 박막의 화학적 결합변화를 분석하기 위해 XPS(VG Scientific ESCALAB 200R) 를 사용하였다. X-ray source는 Al-K<z(15kV, 20mA, 300W)이고, 초기진공은 5xl0<0 Torr 였다.
- 5eV)가 포함된 3개의 피크로. 그 후 식각시간에 따라 SiC 피크 (283.7eV) 를 하나 더 포함한 4개의 피크로 deconvolution^ 후, 다이아몬드 피크(285.2W)와 흑연 피크 (284.4eV)의 면적 (peak area)을 이용하여 구하였고. 그 방법을 식1에 정리하였다⑸.
- 64g/cm3였다. 따라서 본 연구에서 수행된 XRR 실험 결과는 XPS depth profile을 통한 sp3 분율의 정량적인 분석을 포함한 계면분석 결과와 매우 유사하므로 두 실험결과를 이용하여 각 충의 식각률을 계산하였다.
- 따라서 본 연구에서는 FCVA 방법으로 기판전압을 변화시키면서 DLC 박막을 증착 후, Raman 분석을 통하여 탄소결합구조의변화를 관찰하였으며, 기존에 보고되지 않은 XPS의 depth profile을 통하여 식각시간에 따른 DLC 박막내의 sp3/sp2 분율을 계산하였고, 박막내의 화학적 결합 및 DLC 박막과 실리콘 기판의 계면을 평가하였다. 또한 XRR(X-ray Reflectivity) 분석을 통하여 DLC 박막에 다층구조를 적용, 각 층의 밀도, 표면거칠기및 두께를 산출하였다.
- 광전 여기된 전자의 에너지는 CHA( Concentric Hemispherical Analyzer) 와 CAE (Constant Analyzer energy mode) 방식을 통하여 검출하였다. 또한 5keV, 0.30“ A의 Ar 이온빔을 이용하여 depth profile을 수행하였다. 실험은 depth profile을 하면서 survey scan(electron pass energy: 50eV) 후 주요하게 나타나는 Cis, Si2p, Ar2P, Ols state를고 분해능(electron pass energy: 20eV)으로 scan하였고, scan한 데이터는 XPS 프로그램을 이용하여 fitting 하였다.
- 실험은 depth profile을 하면서 survey scan(electron pass energy: 50eV) 후 주요하게 나타나는 Cis, Si2p, Ar2P, Ols state를고 분해능(electron pass energy: 20eV)으로 scan하였고, scan한 데이터는 XPS 프로그램을 이용하여 fitting 하였다. 또한 XRR(Bede D3 System .U.K.) mode를 사용하여 8-28 scan 방식으로 50kV-40mA, 0°~4° 범위에서 0.02°/sec의 scan 속도로 측정하였다. 측정된 데이터는 Bede REFS v.
- 계면을 평가하였다. 또한 XRR(X-ray Reflectivity) 분석을 통하여 DLC 박막에 다층구조를 적용, 각 층의 밀도, 표면거칠기및 두께를 산출하였다.
- 65%로 가장 큰 값을 가졌으며, 식각시간 60분에서부터는 계면의 영향으로 급격히 감소하는 경향을 나타냈다. 또한 XRR을 통한 기판전압 0V에서의 DLC 박막의 구조분석을 수행하였는데, 실리콘 기판과 DLC 박막 사이의 계면 층인 SiC의 두께가 94A으로 가장두꺼웠으며, 밀도는 1.08g/cm3였고, 탄소결합이 가장 많은 bulk층의 두께와 밀도는 각 67A과 1.76g/cm3였다. 마지막으로 XPS와 XRR의 결과를 통하여 sp3 결합이 가장 많은 층의 식각률은 L675A/min였다.
- 또한, 표면과 계면층의 화학적 결합상태를 분석하기 위해 Ols와 Si2p 피크를 추가적으로 고려하였다. 먼저 DLC 박막 표면에 존재하는 결합을 분석하기 위해 survey scan을 수행하였는데, 그림2에서 나타낸 바와 같이 주요하게 Cis, Si2p, Ar2p, 및。Is state를 확인할 수 있었다.
- 본 실험에서는 sp3 분율이 가장 큰 기판전압 0V에서 증착된 DLC 박막을 실리콘 기판이 포함된 4개의 층(sp3 poor layer/sp3 rich layer/SiC/Si substrate)으로 구분하여 XRR 을 수행하였다. 보다 자세히 설명하면 증착된 DLC 박막을 증착후 공기중의 노출로 인한 오염과 DLC 박막 형성시 발생된 내부압축응력의 완화로 인하여 sp3 결합이 bulk층 보다 감소된 표면층(3“), sp3 결합이 표면보다 풍부한 bulk층(2曲), 초기 계면형성시 강력한 탄소이온의 실리콘 침투에 의해 발생되는 SiC충 (Is1) 및 실리콘 기판으로 구분한 후 각 층의 두께, 밀도 및 표면거칠기를 변화시키면서 실험치에 모의실험 값을 근접시켰다血.
- 본 실험을 위한 FCVA 장치는 음극 증발부, 아크 플라즈마의수송 및 거대 입자를 제거하기 위한 필터링부와 전원 및 기체 공급부등 크게 3가지로 분류된다⑵. 아크 플라즈마 발생시 방전전압 및 전류는 20〜25V, 20A였고, 소스전자석, 인출전자석, 굽힘전자석 및 출구전자석에는 각 펄스파(1〜3A), 4A, 3A 및 4A를인가하였다.
- 본 연구에서는 FCVA 방법으로 기판전압 0V에서 -250V까지변화시키면서 DLC박막을 증착한 후, Raman 분석을 통한 탄소결합구조 의 변화를 관찰하였으며, 기존에 언급되지 않은 DLC 박막의 식각시간에 따른 sp3 분율의 변화를 통하여 화학적 결합의 변화를 증명하였고, XRR 분석을 통하여 각 층별 구조분석을수행하여 XPS와 XRR 분석의 밀접한 상관관계를 규명하였다. 기판전압 0V일 때, sp3 분율이 가장 큰 값을 가졌고, 기판전압이 증가할수록 감소하는 경향을 보였는데, 이는 Raman 분석을통한 정성적인 값과 XPS의 Cis 해석의 결과가 매우 흡사하였다.
- 본 연구에서는 XPS 분석을 통하여 DLC 박막의 sp3 분율은 Cis state 스펙트럼을 초기표면에서는 CC*contaminated 피크 (286.5eV)가 포함된 3개의 피크로. 그 후 식각시간에 따라 SiC 피크 (283.
- 30“ A의 Ar 이온빔을 이용하여 depth profile을 수행하였다. 실험은 depth profile을 하면서 survey scan(electron pass energy: 50eV) 후 주요하게 나타나는 Cis, Si2p, Ar2P, Ols state를고 분해능(electron pass energy: 20eV)으로 scan하였고, scan한 데이터는 XPS 프로그램을 이용하여 fitting 하였다. 또한 XRR(Bede D3 System .
- 크게 3가지로 분류된다⑵. 아크 플라즈마 발생시 방전전압 및 전류는 20〜25V, 20A였고, 소스전자석, 인출전자석, 굽힘전자석 및 출구전자석에는 각 펄스파(1〜3A), 4A, 3A 및 4A를인가하였다. 초기진공은 5x10「6 Torr 이하였고, 시편으로는 (100) P-type, 0.
- 습식 세정된 기판은 먼저 5x10-3 Torr에서 -500V의 기판전압을 인가하여 Ar으로 2분간 초기계면을 형성시키고, 3X104 Torr에서 기판전압을 0V에서 -250V까지 변화시키면서 2분간 증착하였다. 증착된 박막의 탄소결합 구조분석은 Triple Raman Spectroscopy (Jobin Yvon T64000) 를 이용하여 400-2400cm1 범위에서 스펙트럼을 얻고, intensity ratiodn/Ic) 및 파장에 따른 G-line 위치와 폭을 분석하였다. 이때 Raman 스펙트럼 분석에 사용된 광원은 514.
대상 데이터
- DLC 박막의 화학적 결합변화를 분석하기 위해 XPS(VG Scientific ESCALAB 200R) 를 사용하였다. X-ray source는 Al-K<z(15kV, 20mA, 300W)이고, 초기진공은 5xl0<0 Torr 였다. 광전 여기된 전자의 에너지는 CHA( Concentric Hemispherical Analyzer) 와 CAE (Constant Analyzer energy mode) 방식을 통하여 검출하였다.
- 증착된 박막의 탄소결합 구조분석은 Triple Raman Spectroscopy (Jobin Yvon T64000) 를 이용하여 400-2400cm1 범위에서 스펙트럼을 얻고, intensity ratiodn/Ic) 및 파장에 따른 G-line 위치와 폭을 분석하였다. 이때 Raman 스펙트럼 분석에 사용된 광원은 514.532nm파장의 Ar 레이저이며, 레이저의 조사로 인한 열처리 효과를 피하기 위해 낮은 전력(3mW)으로 설정하였고, 장비의 분해능은 1.8cmi 였다. DLC 박막의 화학적 결합변화를 분석하기 위해 XPS(VG Scientific ESCALAB 200R) 를 사용하였다.
- 아크 플라즈마 발생시 방전전압 및 전류는 20〜25V, 20A였고, 소스전자석, 인출전자석, 굽힘전자석 및 출구전자석에는 각 펄스파(1〜3A), 4A, 3A 및 4A를인가하였다. 초기진공은 5x10「6 Torr 이하였고, 시편으로는 (100) P-type, 0.001~0.01Qcm의 비저항을 갖는 실리콘 기판를 사용하였다. 습식 세정된 기판은 먼저 5x10-3 Torr에서 -500V의 기판전압을 인가하여 Ar으로 2분간 초기계면을 형성시키고, 3X104 Torr에서 기판전압을 0V에서 -250V까지 변화시키면서 2분간 증착하였다.
데이터처리
- 02°/sec의 scan 속도로 측정하였다. 측정된 데이터는 Bede REFS v.3.50 을 이용하여 4개의 층으로 구분한 후, 각 층마다의 밀도, 두께, 표면 거칠기 값을 변화시키면서 실험값과 비교, 분석하였다.
이론/모형
- X-ray source는 Al-K<z(15kV, 20mA, 300W)이고, 초기진공은 5xl0<0 Torr 였다. 광전 여기된 전자의 에너지는 CHA( Concentric Hemispherical Analyzer) 와 CAE (Constant Analyzer energy mode) 방식을 통하여 검출하였다. 또한 5keV, 0.
성능/효과
- 8eV)사이에 낮고 넓은 피크가 나타난 후, 식각시간 50분에서는 SiC 피크에 가까운 lOl.OeV 근처에서 피크가 나타났고, 식각시간 100 분에서는 뚜렷한 실리콘 피크가 나타났으며, 그 후 식각시간이 증가할수록 intensity는 증가하고, 피크위치는 실리콘 피크에서 변함이 없었다. 또한 그림 4(c) 에서 식각시간이 0분일 때는 intensity 가 큰 Ols 피크 (531.
- 규명하였다. 기판전압 0V일 때, sp3 분율이 가장 큰 값을 가졌고, 기판전압이 증가할수록 감소하는 경향을 보였는데, 이는 Raman 분석을통한 정성적인 값과 XPS의 Cis 해석의 결과가 매우 흡사하였다. 또한 sp3 결합이 가장 많은 기판전압 0V에서 증착된 DLC 박막의 식각시간에 따른 sp3 분율의 변화를 통하여 DLC 박막의구조적 변화를 증명하였는데, 식각시간 20분에서 49.
- 또한, 식각시간 0분일 때, 기판전압에 따라 증착된 DLC 박막의 sp3 분율의 변화를 그림3에 정리하였다. 기판전압이 0V일 때 sp3 분율이 31.26%로 가장 큰 값을 가졌고, 기판전압이 증가할 수 록감소하는 경향을 나타내었다. 이는 림1에서 언급한 탄소결합구조분석 결과와 동일하다.
- 이는 기존에 보고한바와 같이 기판전압이 증가함에 따라 잉여 이온화 에너지에 증분으로 나vermal spike가 증가함에 따라 탄소의 "graphitization" 이 증가되어 sp3 결합이 감소되었기 때문으로 사료된다也. 따라서 본 연구에서 탄소의 결합구조분석 결과, 박막내 sp3 결합이가장 많은 기판전압 조건은 0V였다.
- 기판전압 0V일 때, sp3 분율이 가장 큰 값을 가졌고, 기판전압이 증가할수록 감소하는 경향을 보였는데, 이는 Raman 분석을통한 정성적인 값과 XPS의 Cis 해석의 결과가 매우 흡사하였다. 또한 sp3 결합이 가장 많은 기판전압 0V에서 증착된 DLC 박막의 식각시간에 따른 sp3 분율의 변화를 통하여 DLC 박막의구조적 변화를 증명하였는데, 식각시간 20분에서 49.65%로 가장 큰 값을 가졌으며, 식각시간 60분에서부터는 계면의 영향으로 급격히 감소하는 경향을 나타냈다. 또한 XRR을 통한 기판전압 0V에서의 DLC 박막의 구조분석을 수행하였는데, 실리콘 기판과 DLC 박막 사이의 계면 층인 SiC의 두께가 94A으로 가장두꺼웠으며, 밀도는 1.
- 76g/cm3였다. 마지막으로 XPS와 XRR의 결과를 통하여 sp3 결합이 가장 많은 층의 식각률은 L675A/min였다. 향후 EELS 분석을 통한 정량적인 sp3 분율의 측정을 통하여 Raman과 XPS의 결과의 상관관계를증명하고자한다.
- 65%로 가장 큰값을 가졌고, 식각시간 60분 이 후 급격히 감소하는 경향을 나타냈다. 상기한 그림4과 그림5의 결과에서 기판전압 0V에서 증착된 DLC 박막은 초기 식각시간이 10분까지는산소와 같은 오염에 의해 낮은 sp3 분율을 갖고, 식각시간 20분일 때 sp3 분율이 49.65%로 가장 큰 값을 가졌으며, 약 식각시간 50분에서 DLC 박막과 실리콘 기판의 계면에서 발생되는 SiC와 native oxide의 영향으로 sp3 분율은크게 감소되었다.
- 2g/cm3 (ta-C)로 설정하였으며, 그 결과를 그림6에 나타내고, 표1에 정리하였다. 전체 박막의 두께는 181A으로 실험치 180A과 매우 유사했고, 실리콘 기판과 DLC 박막 사이의 계면층인 SiC 의 두께가 94A 으로 가장 두꺼웠으며, 밀도는 L08g/cm3였다. 또한 sp3 탄소결합이 보다 많은 2葡 충과 표면의 오염으로 sp3 탄소결합이 보다 적은 3rd 층의 각 밀도는 1.
후속연구
- 마지막으로 XPS와 XRR의 결과를 통하여 sp3 결합이 가장 많은 층의 식각률은 L675A/min였다. 향후 EELS 분석을 통한 정량적인 sp3 분율의 측정을 통하여 Raman과 XPS의 결과의 상관관계를증명하고자한다.
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