KR0175609B1 - 팁 형상의 시료 첨단에 다이아몬드를 형성하는 방법 - Google Patents

팁 형상의 시료 첨단에 다이아몬드를 형성하는 방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
다이아몬드의 형성 방법.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
탐침 형상의 시료 첨단에만 선택적으로 다이아몬드를 증착하는 종래의 다이아몬드 증착법은 시료를 다이아몬드 연마제에 매우 통제된 힘으로 충돌시켜 약간의 손상을 가하는 것인데, 이 방법은 충돌을 통제된 힘으로 제어하기 어렵기 때문에 성공률이 적으며, 재현성도 떨어지는 문제점이 있었음.
3. 발명의 해결방법의 요지
다이아몬드의 화학 기상 증착 과정 중에 탐침에 전압을 인가하는 간단한 방법으로 높은 재현성 및 수율로 팁 형상의 시료의 첨단에 다이아몬드를 선택적으로 형성하는 방법을 제공하고자 함.
4. 발명의 중요한 용도
주사 탐침 현미경의 탐침에 이용됨.

Description

팁 형상의 시료 첨단에 다이아몬드를 형성하는 방법
본 발명은 다이아몬드 형성 방법에 관한 것으로, 특히 주사 탐침 현미경 등에 적용되어 및 표면 구조 형성 등에 사용되는 팁(tip) 형상의 시료에 다이아몬드를 형성하는 방법에 관한 것이다.
다이아몬드는 표면 초미세 구조 형성시 수반되는 탐침의 손상, 특히 마모나 화학 반응에 대한 내성을 가지는 소재이다.
현재 시판되고 있는 다이아몬드 팁은 다이아몬드 단결정을 절단과 연마 등의 가공을 통하여 날카로운 첨단을 만든 것인데, 다이아몬드 가공의 특성상 즉, 높은 경도와 내마모성으로 매우 날카로운 첨단을 만들기 어렵기 때문에 제대로 기능하는 탐침의 수율은 매우 낮다. 뿐만 아니라, 각각의 탐침을 사용하기 위해서는 매번 탐침 집게를 제작해야 하는 등 주사 탐침 현미경에 응용하기에 번거롭기도 하다.
때문에, 주사 탐침 현미경에서 사용되고 있는 기존의 탐침에 다이아몬드를 증착하고자 하는 시도들이 있었다. 다이아몬드가 탐침 상에 무작위적인 위치에서 성장하게 되면 탐침은 주사 탐침 현미경에 적용하기 어렵기 때문에 탐침 첨단을 다이아몬드 연마제에 매우 통제된 힘으로 충돌시켜 약간의 손상을 가하여, 이 과정에서 변형된 탐침 첨단에만 선택적으로 다이아몬드를 증착하는 방법이다. 그러나, 충돌을 통제된 힘으로 제어하기 어렵기 때문에 이 방법으로는 성공률이 적으며, 재현성도 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 다이아몬드의 화학 기상 증착 과정 중에 탐침에 전압을 인가하는 간단한 방법으로 높은 재현성 및 수율로 팁 형상의 시료 첨단에 다이아몬드를 선택적으로 형성하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다이아몬드 증착 장비 및 전위 인가 개념도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 반응기2 : 텅스텐 필라멘트
3 : 탐침4 : 전원 공급장치
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 팁 형상의 시료에 다이아몬드를 형성하는 방법에 있어서, CH4와 H2를 포함하는 반응 가스를 열분해하여 다수의 반응성 화학종을 생성시키고, 상기 시료에 음 전위를 가하여 상기 반응성 화학종 중에서 양 이온들을 상기 시료의 첨단에 유도 및 충돌시키는 것을 특징으로 한다.
다이아몬드 화학 증기 증착 장치 중에서 간단하면서도 양질의 다이아몬드를 얻을 수 있는 것이 도 1에 나타낸 것과 같은 고온 필라멘트 장비이다. 이하, 첨부된 도면 도 1을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상술한다.
먼저, 다이아몬드 핵 성장의 시료인 주사 관통 현미경의 탐침(3) 첨단이 텅스텐 필라멘트(2)를 향하도록 장착한 후 탐침(3)에 음(-) 전압을 인가할 수 있는 전원 공급장치(4)를 연결한다. 반응 원료인 메탄(CH4)과 수소(H2)는 유량계에 의해 유량이 조절되어 반응기(1)로 유입되며, 약 1800℃ 내지 약 2200℃ 온도로 조절된 텅스텐 필라멘트(2)를 거쳐 탐침(3)을 만나게 된다. 탐침(3)은 음(-) 전위가 인가 되어 있으며 반응을 마친 가스들은 진공 펌프를 통해 배기된다.
여기서, 고온의 텅스텐 필라멘트(2)는 반응성이 적은 메탄 및 수소를 열분해하여 반응성 화학종으로 만든다. 또한, 음(-) 전압은 고온의 텅스텐 필라멘트(2) 주위에 형성된 반응성 화학종들 중에서 양(+) 이온들 즉, CH3 +, C2H2 +, C2 +등을 탐침(3)으로 유도하여 탐침(3)에 충돌하게 한다.
이때, 탐침(3) 주위에 형성된 전기장은 탐침(3) 첨단이 다른 부분에 비해 훨씬 강해 전압을 조절하여 이 부분에만 선택적으로 다이아몬드 핵 생성이 일어나도록 한다.
전기장이 강해지는 정도는 탐침(3) 끝의 곡률에 비례하며, 탐침(3) 끝의 반경이 수십 ㎚인 ㎜ 단위의 탐침(3)의 경우 전기장 세기는 수십 만 배의 차이가 나게 된다. 전위에 따라서는 탐침(3) 첨단에만 국부적으로 플라즈마 상태가 형성될 수 있다. 따라서, 인가 전압은 탐침(3) 첨단에만 다이아몬드가 형성되도록 조절해야 한다.
상기한 본 발명의 일실시예에서 설명한 바와 같이 본 발명은 주사 탐침 현미경에 적용하기 위하여 주사 탐침 현미경의 탐침을 시료로하여, 전기장의 세기가 강해지는 정도가 탐침 끝의 곡률에 비례하는 원리를 이용하여 탐침에 전위를 인가하여 다이아몬드 결정을 선택적으로 성장시킴으로써 다이아몬드 탐침을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 성장시킨 다이아몬드 탐침을 주사 관통 현미경과 원자간력 현미경 등에 적용할 경우, 다이아몬드의 높은 경도와 내마모성 등의 독특한 물성을 이용한 초미세 구조 형성 분야에 폭 넓게 응용할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 다이아몬드 팀을 성장시킬 때 통제와 조절이 용이한 전압 인가 방식을 택하므로써 재현성이 좋아지고, 수율도 높아지게 된다. 또한, 다이아몬드 결정을 팁 구조의 첨단에만 선택적으로 생성하므로써, 이러한 방법으로 형성된 다이아몬드 팁을 주사 탐침 현미경에 장착하여 표면 구조 연구 및 표면 미세 패턴 형성을 위하여 사용될 수 있다는 점에서 1차적 효과를 갖는다. 또한, 이러한 구조의 팁을 요하는 다른 분야에도 응용이 가능하다.

Claims (5)

  1. 팁 형상의 시료에 다이아몬드를 형성하는 방법에 있어서,
    CH4와 H2를 포함하는 반응 가스를 열분해하여 다수의 반응성 화학종을 생성시키고, 상기 시료에 음 전위를 가하여 상기 반응성 화학종 중에서 양 이온들을 상기 시료의 첨단에 유도 및 충돌시키는 것을 특징으로하는 팁 형상의 시료에 다이아몬드를 형성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열분해는
    상기 반응 가스를 고온의 필라멘트에 통과시킴으로써 이루어지는 것을 특징으로하는 팁 형상의 시료에 다이아몬드를 형성하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 필라멘트는
    텅스텐을 포함하는 것을 특징으로하는 팁 형상의 시료에 다이아몬드를 형성하는 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 필라멘트는
    약 1800 ℃ 내지 약 2200℃ 의 온도로 조절된 것을 특징으로하는 팁 형상의 시료에 다이아몬드를 형성하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시료는 주사 탐침 현미경의 탐침인 것을 특징으로하는 팁 형상의 시료에 다이아몬드를 형성하는 방법.
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