기체유량과 O2 혼합에 따른 다이아몬드박막 합성법

서형기, 트란란안, 김영순, 신형식

전북대학교 화학공학부,

Diamond film synthesis depend on the flow rate and oxygen addition

Hyung-Kee Seo, Lan-Anh Tran, Young-Soon Kim, Hyung-Shik Shin

School of Chemical Eng. Chonbuk National Univ.

서    론

다이아몬드는 sp3 결합구조의 탄소로 이루어진 정방정계의 결정체로서, 경도가 높고, 내마모성이 좋아서 절삭공구에 응용된다. 또한 절연체이지만 열전도도가 높아서 반도체 디바이스, 컴퓨터보드 등에 이상적인 heat sink 재료가 되며, 광학적으로 투명하여 가시선, 적외선, 마이크로웨이브 주파수를 투과시키는 능력이 뛰어나 다이아몬드필름, 특수광학렌즈 등에 대한 연구가 진행되고 있다. 일반적인 다이아몬드 제조법에는 고온, 고압으로 합성된 다이아몬드는 상평형도에서 열역학적으로 안정한 영역에서 제조되어 현재 공업용 다이아몬드의 대부분의 수요를 충당하고 있지만 장치가 복잡하고 제조단가가 비싼 단점이 있다. 반면에 저압 기상합성방법은 다이아몬드를 박막 형태로 증착할 수 있고, 불순물을 첨가하여 반도체로 이용할 수 있으며, 간단한 장치로 비교적 저렴하게 다이아몬드 박막을 제조할 수 있어서 최근 들어 활발한 연구가 진행되고 있다. 이와 같은 기상합성법으로 다이아몬드를 만드는 방법에는 Hot filament, Microwave Plasma, rf plasma CVD법과 아세틸렌 토오치법, dc arc plasma법 등이 연구 되어지고 있다. [1,2,3] 기상합성법의 최종목적은 깨끗하고 균질한 단결정 다이아몬드 박막의 합성이며, 이는 절삭용, 연마용을 제외한 IC 기판등에서 요구되고 있다. 하지만 지금까지 이종기판위에 단결정 다이아몬드 박막은 거의 보고되지 않고 있으며 다결정 다이아몬드 박막도 그 합성기구가 완전히 밝혀지지 않고 있다. 본 실험에서는 Hot filament법에 의해 증착 유량에 따라, 산소 흡입에 따른 표면 mopology의 변화를 관찰함으로써 다이아몬드 박막의 증착기구를 규명하려는데 있다.

실 험 방 법

Si(100) 6×15 □ 크기를 기판으로 사용하여 1□ 다이아몬드 paste를 사용하여 scratch를 낸 후 유기물질과 산화막을 제거하기 위해 Shiraki ething 방법을 통해 깨끗한 상태의 Si 상태를 만들었다. 자칫 paste가 Si 위에 남아있어서 다이아몬드 핵생성에 영향을 줄 수도 있기 때문에 여러차례의 단계를 거쳐서 cleaning 작업을 시행하였다. 기판의 온도는 K-type의 thermocouple을 사용하여 측정하였고, 필라멘트의 온도는 optical pyrometer로 측정하였다. 기체의 유량은 MFC를 통해서 측정하였으며, 메탄, 수소, 산소등의 기체량을 보정하기 위해 전체흐름량과 압력(Baratron gauge)을 측정하여 계산하였다. 실험의 목적은 여러 가지 factor중에서 기체유속과 산소흡입량에 관련하여 다이아몬드의 핵생성속도 및 결정성의 변화를 고찰하고자 하였다. fig.1.은 HFCVD 장비의 개략도를 나타냈다. 이 챔버안에서 증착된 샘플은 분석챔버로 이동시켜 분석한다. 연결된 분석챔버에는 AES, XPS, LEED 등의 분석을 할 수 있도록 설계되어 있다. 증착을 하기전에 flashing을 통한 재구조된 시료(p-type Si)를 LEED 분석을 통해 결합형태가 (1×1)에서 (2×1)으로 바꾸어진 상태를 파악하고 나서 실험에 임했다. fig.2.는 유량에 따른 다이아몬드 합성을 비교하였는데, 비교대상의 factor들은 유량을 제외하곤 모두 같은 조건이었다. 기체의 유량에 따라 합성되는 다이아몬드에 대한 표면현상이 기체량이 많을수록 ball-like diamond 결정에서 점점 cube octahedron의 결정으로 나타났음을 보여주었다. fig.3.에서는 산소흡입량에 따라 변화하는 모습을 나타내었다. 산소의 첨가로 인해서 결정성은 cube octaheron에서 decahedral-wulf polyhedron을 거쳐 ball-like diamond의 결정으로 바꿔지고 있으며 결정크기가 점점 커지는 대신 증착률이 낮아지는 것을 관찰되었다.[4]

fig.1. HFCVD 장치개략도.

fig.2. 유량에 따른 SEM사진 변화.(100, 200, 300 sccm)

fig.3. 산소흡입량에 따른 SEM사진 변화.(1）, 2）, 3）)

결    론

본 다이아몬드합성제조법에서는 유량 변화에 따른 실험결과, 유량이 100sccm에서 보다 300sccm으로 증가할 때가 결정성이 커지는 것을 알 수 있었고, 산소 흡입량에 따른 실험에서는 1）일 때가 가장 결정성이 컸고, 증착률은 3）일 때가 가장 높았음을 알았다. 유량에 따른 다이아몬드결정성장 및 증착은 기체의 유량이 많음에 따라 결정성이 크게 나왔다. 비록 MFC의 scale 한계 때문에 300sccm이상의 유량에 대해서 측정하지 못한 것이 아쉽기는 하지만 100sccm에서 300sccm으로 갈수록 결정크기가 커진다는 것을 통해 유량이 많을수록 증착되는 탄소라디칼이 더 빠른속도로 기판에 달라붙는다는데 기인한다고 설명할 수가 있다. 또한 유량이 많을수록 라만 peak의 강도가 더 강하게 나온다는 점은 이것을 뒷받침해 주고 있다.[5]

fig.4. 산소흡입에 따른 탄소흡착 성장기구.

fig.4.에서는 산소의 메카니즘을 통해서 산소의 역할을 나타내고자 하였다.[6] 산소홉입(1∼ 3vol）)에 따른 결정성 및 결정입자 크기의 변화를 통해 산소가 수소보다 비다이아몬드 상을 효과적으로 제거하지만 과량의 산소는 오히려 비다이아몬드 뿐만 아니라 규칙적인 다이아몬드결정구조가 파괴되어 무정형 탄소 형태로 변해감을 알 수 있었다.

참 고 문 헌

[1] 서문규, 이지화. 한국요업학회지, 27 (3), 401 (1990)

[2] J. E. Butler and H. Windischmann. MRS Bulletin., 23[9], 22(1998)

[3] M. Kawarada, K. Kurihara, K. Sasaki. Diamond and related Mater., 2,       1083( 1993).

[4] In-D. Jeon, Chang J. Park., J. Crystal Growth 223, 6 (2001)

[5]  V. Ralchenko, I. Sychov, I. Vlasov, A. Vlasov, A. Khomich,. Diamond and     related Mater., 8, 189( 1999).

[6] Pehr E. Pehrsson and Thomas W. Mercer. Surface Science, 460, 74(2000).