KR100276061B1 - 플라즈마 증착장비 및 이를 이용한 수소 포함 비정질 탄소박막제조방법 - Google Patents

플라즈마 증착장비 및 이를 이용한 수소 포함 비정질 탄소박막제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 증착장비 및 이를 이용한 수소포함 비정질 탄소박막 제조방법에 관한 것으로, 플라즈마 증착장비의 전극을 전자의 이동이 원활한 그물형태로 변환하여, 소스기체의 이온화율을 증가시킴으로써, 저가의 직류전원으로 낮은 압력에서도 원하는 밀도의 플라즈마를 생성하며, 그 플라즈마를 안정된 상태에서 균일하게 유지함으로써 제조되는 수소 포함 비정질 탄소박막의 균일도를 향상시키는 효과가 있다.

Description

플라즈마 증착장비 및 이를 이용한 수소 포함 비정질 탄소박막 제조방법
본 발명은 플라즈마 증착장비 및 이를 이용한 수소 포함 비정질 탄소박막 제조방법에 관한 것으로, 특히 플라즈마 증착장비의 전극을 전하의 이동이 용이한 그물형태로 변형하여 플라즈마 효율을 높여 사용 가스의 양을 줄이며, 균일한 박막 특성을 얻는데 적당하도록 한 플라즈마 증착장비 및 이를 이용한 수소 포함 비정질 탄소박막 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 제조공정에서 사용되는 박막 증착방법은 진공중에서 금속이온을 중성상태로 기판에 증착하여 특정 박막을 형성하는 진공증착법, 아르곤 플라즈마(Ar-Plasma)와 같은 이온을 금속표면 충돌시켜 금속표면의 원자가 떨어져나와 기판에 증착되는 이온 플래팅(Ion plating)법, 화학반응을 이용해 증착하는 화학기상 증착법(Chemical Vapor Deposition)과, CVD의 단점인 모재와 증착박막간의 낮은 접착력을 보완하기 유기가스를 방전시켜 플라즈마를 만들어 증착하는 플라즈마 화학기상 증착법(PECVD)등이 주로 사용되고 있다. 이와 같은 박막 증착법은 각각의 증착방법에 따라 장단점을 가지고 있다. 특히 진공증착법은 고순도의 금속박막을 증착하기에는 좋으나 가스상태의 원료를 사용하지 못한다. 또한 중성상태의 금속이 열에너지만을 가지고 기판에 부착되기 때문에, 기판과의 접착력이 약한 단점을 가지고 있다. 상기 이온 플래팅법은 진공증착에 비해 접착력은 좋으나, 아르곤과 같은 불활성 기체를 방전하여 증착하기 때문에, 불활성 기체가 박막 내에 들어가 박막의 품질이 열화되는 단점이 있다.
그리고, 상기 화학기상 증착법은 높은 증착속도를 가지고 있어 박막을 빠른 시간 내에 증착할 수 있는 장점이 있으나, 모재와 박막사이의 접착력이 약하고 박막제작시 제작공정을 조절할 수 있는 변수가 매우 적은 단점이 있다. 또한 일반적으로 박막 증착시 높은 온도가 요구되므로, 시료가 불순물에 오염되기 쉬운 결정적인 단점이 있다.
상기와 같은 화학기상 증착법, 이온 플래팅법, 진공증착법이 갖는 문제점을 해결하기 위한 방법으로, 기판과 박막과의 접착력의 열화 및 제작공정의 폭을 넓게하며, 박막증착 온도를 낮추어 불순물에 의한 오염을 배제하는 증착방법으로 가장 각광받고 있는 방법이 플라즈마 방전을 이용한 CVD법(plasma enhanced chemical vapor deposition ; PECVD)이다. 가스분자를 직류 전원전압 또는 알에프 (RF : Radio Frequency) 전력으로 방전시켜 이온 또는 라디칼 (radical)을 발생시킴으로써 증착과정 중에 이온이 갖고 있는 에너지를 이용하면 박막증착온도를 낮출 수 있어 불순물에 의한 박막의 오염을 방지할 수 있으며, 기판과 박막과의 접착력도 상당히 개선되는 효과를 얻을 수 있다. 이와 같은 PECVD 장치 중 가장 중요한 부품은 가스분자를 낮은 에너지로 방전시켜 이온과 라디칼을 생성하여 증착과정에 참여하게 하는 플라즈마 발생기이며, 이와 같은 플라즈마 증착장비가 갖춰야할 요건은 낮은 전력으로 플라즈마를 발생시켜야 하고, 이온화율도 높여야 하며, 장시간 안정된 상태로 플라즈마를 유지하여야 하고, 절연체에 금속의 증착에 의한 절연파괴에 따른 전극부품의 탈착과 고장수리가 용이하여야 한다. 더욱이, 짧은 시간에 대량생산이 가능하도록 증착속도가 커야하며, 증착된 박막의 신뢰성을 높이기 위해서는 이온빔의 균일성이 높아야 한다. 이와 같은 종래 플라즈마 증착장비를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도1은 종래 플라즈마 증착장비의 구성을 나타낸 도면이다. 진공챔버(11)내부로 소정의 가스를 주입하기 위한 가스 주입부(13)와, 상기 진공챔버(11) 내부에서 가스분자를 방전시켜 플라즈마를 생성하는 두 개의 마주보고 있는 알에프 전극(15)과, 시료 기판(17)을 고정할 수 있는 시료지지대(19)와, 반응이 완료된 가스를 외부로 배기 하기 위한 배기부(21)를 포함하여 구성된다. 상기 시료지지대(19)에는 주입된 가스이온을 시료기판(17)에 증착되도록 하는 증착전원(25)이 연결되어있다. 그리고, 상기 두 개의 알에프 전극(15)들은 각각 알에프 전원(23)에 연결되어 전력을 공급 받는다. 도면에서 화살표는 가스 주입부(13)로부터 유입되어 가스 배기부(21)로 배출되기 까지의 흐름을 나타내고 있다.
이하, 상기와 같이 구성된 종래 플라즈마 증착장비를 이용하여 특정 기판의 상부에 수소를 포함하는 비정질 탄소(이하, a-C:H) 박막의 증착법을 설명한다.
먼저, 시료 기판(17)을 시료지지대(19)에 장착하여 챔버 내에 설치한다. 챔버(11)의 내부를 진공상태로 만든 후, 탄소와 수소를 포함하는 소스가스를 가스주입부(13)로부터 주입한다.
그 다음, 알에프 전원(23)을 가동하여 알에프 전극(15)에 알에프 전력을 인가함으로써 그 전력에 의해 상기 주입한 소스가스를 이온화시켜 이온 및 라디칼을 생성한다.
그 다음, 증착전원(25)을 가동하여 소스가스의 이온 및 라디칼을 상기 시료 기판(17)으로 이동하도록 한다. 그러면, 시료 기판(17)의 상부에는 탄소와 수소를 포함하는 소스가스의 이온 및 라디칼이 증착하게 되어, 비정질 탄소(a-C:H)박막이 증착된다.
상기와 같은 종래 플라즈마 증착장비는 박막의 증착을 위해 높은 전력 또는 RF와 ECR과 같은 고가의 전원를 이용하여 플라즈마를 발생시키므로, 생산비용이 증가하는 문제점이 있다. 또한, 각 구성요소의 착탈이 용이하지 않아 전극부품의 고장수리가 쉽지 않다. 더욱이 박막의 증착 속도가 낮아 대량생산에 부적합한 문제점과 이온빔의 균일도가 낮아 박막의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 낮은 전력에서 높은 이온화율을 갖는 플라즈마 증착장비를 제공하는데 있다. 본 발명의 다른 목적은 증착속도 및 이온빔의 균일도를 향상시킨 플라즈마 증착장비를 제공하는데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 저 전력 고 이온화율을 실현하고, 고 증착속도 및 균일한 이온빔을 제공하는 증착장비를 이용한 수소 포함 비정질 탄소박막 제조방법을 제공하는데 있다.
도1은 종래 플라즈마 증착장비의 구성도.
도2는 본 발명 플라즈마 증착장비의 구성도.
도3은 도2의 전원접속도.
도4는 도2에 있어서, 기판전압의 변화에 따른 a-C:H박막의 증착율을 보인 그래프도.
도5는 도2에 있어서, 기판전압의 변화에 따른 증착된 a-C:H박막 내에 존재하는 수소의 양을 ERD법으로 측정한 그래프도.
도6은 도2에 있어서, 기판전압의 변화에 따른 증착된 a-C:H박막 내에 존재하는 수소의 양을 나타낸 그래프도.
도7은 도2에 있어서, 기판전압의 변화에 따른 a-C:H박막 내에 존재하는 수소와 탄소의 결합관계를 측정한 그래프도.
도8은 도2에 있어서, 기판전압의 변화에 따른 a-C:H박막 내에 존재하는 수소와 탄소의 결합관계를 라만 분석법으로 분석한 결과를 나타낸 그래프도.
도9는 도2에 있어서, 기판전압의 변화에 따른 증착된 a-C:H박막의 발광특성을 나타낸 그래프도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
11, 111 : 원통형 챔버 13, 113 : 가스주입부
15 : 알에프 전극 17, 147 : 시료기판
19, 141 : 시료지지대 21, 115 : 배기부
23 : 알에프 전원 25, 123 : 증착전원
117 : 전극 지지대 121 : 직류전원
125 : 전류 측정부 131 : 제 1전극부
132 : 제 2전극부 133 : 제 3전극부
143 : 히터
이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 원통형 챔버와, 그 챔버의 내부에 장착된 착탈 가능한 전극지지수단과, 상기 전극지지수단에 고정되고 직류전원을 인가 받아 소스가스를 이온화하여 플라즈마를 생성하고 상기 플라즈마를 안정된 상태로 유지하도록 하는 그물망 형태를 갖는 복수개의 전극부와, 시료기판을 고정시키고 상기 시료기판에 소정 온도의 열과 기판 전압을 인가하는 시료지지수단을 포함하는 플라즈마 증착장비를 제공한다. 또한 본 발명은 상기 시료지지대에 시료기판을 고정시키고 원통형 챔버 내부를 진공상태로 만든 준비단계와, 소스가스 및 촉매가스를 주입하여 상기 챔버내부를 소정압력의 상태로 유지하는 가스 주입단계와, 직류전원을 상기 복수개의 그물망형 전극에 인가하여 상기 주입된 가스를 플라즈마상태로 만드는 플라즈마 생성단계와; 상기 시료지지대에 고정된 시료기판에 소정의 열과 기판전압을 인가하여 상기 형성된 플라즈마를 기판으로 이동시켜 기판의 상부에 박막을 증착하는 증착단계를 포함하는 박막제조방법을 제공한다. 도면을 참조한 실시 예에서 본 발명에 의하여 수소포함 비정질 탄소박막을 제조하는 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도2는 본 발명에 의한 플라즈마 증착장비의 구성도이다. 원통형 챔버(111)와 상기 원통형 챔버(111)내부에 박막증착을 위해 소스가스를 주입하는 가스주입부(113)가 설치된다. 여기에서는 메탄(CH4) 가스와 수소(H2) 가스를 각각 소스 가스와 촉매가스로 사용하므로 가스 주입부(113)에는 두 개의 가스들이 유입될 수 있도록 구성된다. 그리고, 상기 유입된 가스들이 반응을 완료하고 난 후, 외부로 배출되도록 하기 위해 가스 배기부(115)가 설치된다. 상기 원통형 챔버(111)의 상부와 하부에 각각 착탈 가능한 전극지지대(117)가 설치된다. 상기 전극지지대(117)에 고정되고 플라즈마 생성을 위한 직류전원(121)의 양극에 연결되어 상기 소스 가스들을 플라즈마 상태로 만드는 제 1전극부(131)가 상기 챔버의 가운데 부분에 설치된다. 그리고, 상기 제 1전극부(131)를 기준으로 양 옆에 상기 직류전원(121)의 음극 혹은 접지부에 연결된 제 2전극부(132)와 제 3전극부(133)가 각각 설치된다. 상기 제 2전극부(132) 혹은 제 3전극부(133)의 바깥쪽에는 시료기판(147)을 고정시키는 시료지지부(141)가 설치되어 있다. 상기 시료지지부(141)에는 상기 시료기판(147)에 플라즈마를 증착시키기 위한 증착전원(123)이 연결되어 있으며, 상기 시료기판(147)에 소정의 열을 인가하는 히터(143)가 연결되어 있다. 상기 시료지지부(141)에는 상기 시료기판(147)에 증착되는 박막의 전류밀도를 측정하는 측정부(125)가 더 설치될 수 있다.
상기 제1(131), 제2(132) 그리고, 제3전극부(133)는 도 3a에 나타난 바와 같이 각각 8인치의 원형 고리(191) 내에 각 선간이 1cm로 유지되도록 선경 1mm인 스테인레스 스틸 선(193)을 연결하여 그물망 형태를 갖고 있다. 이 때, 상기 전극부(131, 132, 133)로 사용하는 물질은 챔버(111)안에서 플라즈마 상태로된 가스의 에너지에 의해 스퍼터링되지 않을 정도의 결합력을 갖는 도전성 물질을 사용한다. 상기 전극부의 물질들이 플라즈마 가스의 에너지에 의해 스퍼터링이 일어나면, 시료기판(147)에 형성되는 박막에 오염물질이 형성되기 때문이다. 이 때의 오염도 역시 만들고자하는 박막의 성질에 따라 다소 차이가 있을 수 있으므로, 필요에 따라 스테인레스, 알루미늄, 두랄미늄 그리고, 몰리브덴과 같은 물질들 중 어느 하나를 선택하여 사용한다.
그리고, 상기 제1(131), 제2(132) 그리고, 제3전극부(133)들이 챔버내에서 배열된 방식과 직류전원(121)의 연결된 방식을 도 3b에서 사시도로 나타내었다.
본 발명의 플라즈마 증착장비의 동작을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 상기 시료지지대(141)에 시료 기판(147)을 부착하여 상기 챔버(111)내에 설치한다. 그리고, 상기 배기부(115)를 통하여 챔버(111) 내부를 진공상태로 만든다.
다음에, 가스주입부(113)를 통하여 소스 가스와 촉매 가스를 원통형 챔버(111)내부로 주입한다. 상기 소스 가스는 증착하고자하는 물질의 주 원료를 포함하는 가스이고, 촉매가스는 박막 제조시 필요에 따라 사용하는 것으로, 불활성 가스나 박막에 포함하고자하는 물질을 포함하는 가스 등을 사용할 수 있다.
그 다음, 착탈 가능한 전극지지대(117)에 고정된 전극들에 직류 전원을 인가한다. 이 때 제1전극(131)에는 양전압을 인가하고, 상기 제1전극(131)의 양쪽에 설치된 제2전극(132)과 제3전극(133)에는 음전압을 인가한다. 상기 각각의 전극들(131,132,133)은 도 2에서와 같이 원통형 챔버(111)에 수직이며, 각각 동일한 평면상에 배열되어 있으므로, 상기 제1전극(131)에서 생성된 전자가 음극을 띠고 있는 제2전극(132)과 제3전극(133) 사이를 왕복 운동하게 된다. 따라서, 상기 주입된 소스가스를 이온화하여 플라즈마를 생성함에 있어 낮은 전력으로도 높은 이온화율을 나타낸다. 본 발명에서는 각 전극(131,132,133)에 연결된 직류전원(121)은 500∼600V의 방전 전압과 20∼30mA 정도의 방전 전류일 때, 생성된 플라즈마를 안정된 상태로 유지하게 된다.
그 다음, 시료지지대(141)에 바이어스 전압을 걸어주면, 상기 제 2전극(132)와 제 3전극(133)사이에 형성된 플라즈마들이 시료기판(147) 쪽으로 이동하여 박막이 증착된다. 이 때, 상기 시료지지대(141)에 일정한 바이어스 전압을 걸어주는 대신에 가변전압기를 포함하는 증착전원(123)을 이용하여 특정 에너지 이상을 갖는 플라즈마만을 상기 시료기판(147)에 증착하도록 구성할 수도 있다. 상기 증착전원(123)은 증착되는 플라즈마의 에너지에 따라 형성되는 박막 특성을 변화시키기에 사용되는 것이므로 약 0V ∼ 400V의 증착전압과 수mA 정도의 증착전류를 갖는다. 또한, 필요에 의해서, 상기 시료지지부(141)에 구비된 히터(143)를 이용하여 소정의 열을 인가하여 증착온도 환경을 조절할 수도 있다.
이와 같은 본 발명 플라즈마 증착장비는 낮은 전력으로 고밀도의 플라즈마를 생성함이 가능하며, 이에 따라 원료가스의 소모를 줄일 수 있다. 이하 상기 플라즈마 증착장비를 사용하여 수소포함 비정질 탄소(a-C:H) 박막을 시료에 증착하는 방법을 실시예로 들면 다음과 같다.
실시 예
시료기판(147)으로는 실리콘기판, 유리기판, 석영기판, 사파이어기판, 폴리머기판등 중 어느 하나를 선택하여 사용하한다. 본 실시예에서는 시료기판(147)으로 직경 2인치 실리콘 기판 또는 직경 2인치인 코닝유리7059(Corning glass 7059)를 채택하여, 상기 원통형 챔버(111)의 시료지지대(141)에 고정시키고, 상기 원통형 챔버(111)내에 존재하는 기체를 배기부(115)를 통해 배기하여 원통형 챔버(111)내부를 진공 상태로로 만든다.
그 다음, 소스가스인 메탄가스(에탄올, 벤젠 등의 탄수화물)와 촉매가스인 수소가스를 가스주입부를 통하여 주입한다. 상기 메탄가스의 유량은 필요에 따라 3~100sccm으로 조정할 수 있다. 본 실시 예에서는 5 sccm를 주입하였다. 이 때, 챔버(111)내의 메탄 가스압력은 상기 배기부(115)의 배기 속도를 조절하여 챔버내부의 압력이 1~300mTorr의 범위가 되도록 할 수 있다. 본 실시 예에서는 90 mTorr가 되도록 조절한다. 그리고, 상기 제1(131), 제2(132) 그리고, 제3(133)전극부에 도 3b에 나타난 바와 같은 방법으로 550V의 방전전압을 인가하여 상기 메탄 가스를 플라즈마 상태로 만든다.
이 상태에서, 증착전원(123)의 증착전압을 0V에서 400V로 100V씩 증가시키면서 시료기판(147)에 증착하였다. 그 결과, 시료기판(147)에 인가하는 상기 증착전압 변화에 따른 a-C:H 박막의 증착률 변화를 나타낸 그래프도인 도 4에 나타난 바와 같이, 증착속도는 지수적으로 감소하는 것을 알 수 있다. 이와 같은 a-C:H 박막의 성장속도 감소는 다음의 2가지 원인을 고려할 수 있다. 첫째는 방전전압이 550V로 최대 증착전압인 400V보다는 크지만 방전에 의해 만들어진 이온의 에너지는 0V에서 550V사이의 에너지 분포를 가지므로 이중에 증착전압을 극복한 이온들만이 박막 증착에 참여할 수 있다. 따라서 증착전압이 증가할수록 증착에 참여할 수 있는 이온들의 수는 감소하게 되며, a-C:H박막의 증착속도 역시 감소하게 된다. 둘째는 증착전압이 증가할수록 기판에 도달하는 이온의 에너지가 상대적으로 낮아지므로 증착에 참여할 수 있는 활성화된 분자들의 생성이 감소하기 때문이다.
또한, 도 5는 증착전원(123) 변화에 따른 a-C:H 박막의 일렉트로닉 리코일 디텍션(electronic recoil detection, ERD) 스펙트럼을 보인 그래프도이다. 도 5에의하면 증착전압이 감소함에 따라 박막의 두께를 나타내는 수소의 분포는 넓어지나 농도를 나타내는 수소신호의 높이는 작아진다. 즉, 증착전압이 낮을수록 증착속도는 증가하지만 a-C:H 박막에 포함되는 수소의 농도가 감소하게 된다. 이것은 증착전압이 감소하면 박막의 증착에 참여하는 이온들은 증가하여 박막의 증착속도는 증가하게 되나, 기판에 충돌하는 이온들의 에너지가 커져 a-C:H 박막내의 탄소와 수소의 결합(C-H)을 끊어 수소의 함유량이 낮아진다. 한편, 증착전압이 증가하면 증착에 참여하는 이온들의 감소로 증착속도는 작아지나 충돌하는 이온들의 에너지가 작아 상대적으로 a-C:H 박막내의 탄소와 수소의 결합(C-H)의 절단 확률이 낮아져 수소의 함유량이 높아진다.
도 6은 a-C:H 박막 내에 존재하는 수소의 양을 폴리스틸렌(polystyrene) 박막의 ERD 결과를 이용하여 정량화한 그래프도이다. 도 6에 의한면 성장속도가 매우 큰 증착전압이 0V와 100V에서는 a-C:H 박막내의 수소 원자비가 매우 낮았고, 증착전압이 200V 이상에서는 수소 함유량이 50 %정도로 매우 높은 폴리머 라이크 카본(polymer-like carbon, PLC) 구조를 보이고 있다.
도 7은 400 cm-1∼ 4000 cm-1까지인 적외선 영역에서 a-C:H 박막의 결합구조를 측정한 후 구한 박막의 두께를 이용하여 규격화한 a-C:H 박막의 투과 스펙트라(spectra)를 도시한 도면이다. 도 7에 의하면 a-C:H 박막의 스펙트럼에서 나타나는 C-H 결합의 진동형태는 2900cm-1부근의 스트레칭(stretching) 형태와 1300 ∼ 1700 cm-1사이의 디포매이션(deformation) 형태로 크게 구분된다. 스트레칭(Stretching) 형태의 탄소와 수소의 결합(C-H)에 의한 피크는 크게 sp3CH3(탄소와 탄소가 단일 결합 탄소의 나머지 팔에 수소가 결합된 구조, 2875cm-1, 대칭), sp3CH2(2920cm-1, 비대칭) 및 sp3CH3(2960cm-1, 비대칭)의 세 피크로 이루어진다. 이는 증착전압이 낮을 때에는 파수 2920cm-1에서의 sp3CH2의 신축 진동에 의한 흡수가 우세하다가 증착전압이 200V이상 커질수록 2960cm-1에서의 sp3CH3의 비대칭 신축진동이 커지는 것을 알 수 있다. 이는 도 5에서도 확인하였듯이 증착전압이 증가할수록 박막 내에 수소함유량이 증가하여 수소 함유량이 많은 sp3CH3결합 형태의 a-C:H 박막이 증착되기 때문이다. 또한 3000cm-1이상의 영역에서 보이는 sp2에 인한 흡수의 감소로 인하여 증착전압이 높아질수록 sp3/sp2의 비율이 높아지고, 상대적으로 탄소간의 결합이 줄어들었음을 알 수 있다. 시료 기판에 인가되는 증착전압이 높아질수록 2920cm-1~ 2960cm-1에서의 흡수로 인한 피크의 모양이 뚜렷해진다. 더욱이 기판전압이 200V보다 큰 영역에서 성장한 a-C:H 박막의 경우 탄소와 결합한 수소의 원자 비가 약 60 % 이상인 핵산 (hexane [CH3(CH2)4CH3])의 투과 패턴과 매우 비슷한 형태를 보인다. 이는 박막의 구조가 수소 함유량이 매우 높은 폴리머 라이크 카본임을 보여준다.
도 8은 514.5nm의 Ar+이온 레이저를 광원으로 상온에서 라만 스펙트럼(Raman spectrum)을 측정한 결과 그래프도이다. 일반적으로 다이아몬드 라이크 카본(DLC) 박막의 전형적인 특징은 흑연(graphite) 층간에 수평(in-plane) 진동으로 인한 1550cm-1에서의 G 선과, 구조적인 결함을 갖는 수평(in-plane) 진동에 의한 1360cm-1에서 나타나는 D 선을 가지며 이 두 선의 위치와 폭을 비교하면 a-C:H 박막의 구조를 알 수 있다. 또한 D 선과 G 선의 세기 비(ID/IG)는 평균적으로 흑연영역(graphite domain)의 크기에 반비례하는 것으로 알려져 있다.
도 8에 의하면, 증착전압이 0V와 100V에서 증착된 a-C:H 박막만이 전형적인 DLC 스펙트럼인 1370cm-1에서의 D 선(Disorder)과 1550cm-1에서의 G 선(Graphite)을 보이고 있으며, 200V와 300V에서 증착된 a-C:H박막에선 강한 발광현상으로 구체적인 라만(Raman)정보를 얻지 못했으나 발광현상으로 보아 PLC 구조임을 알 수 있다. 또한, 400V에서 증착한 a-C:H 박막에서는 발광을 관찰할 수 없었으나 D 선과 G 선이 관찰되지 않은 것으로 보아 이것 역시 폴리머 라이크 카본(PLC) 구조임을 알 수 있다.
그리고, 도9 는 a-C:H 박막의 상온 피엘 스펙트럼(PL spectra)을 보인 그래프도이다. 본 실시 예에서 피엘 측정시 사용한 레이저 파장은 325nm였다. 도 9에 의하면, 측정시 상온에서도 백색 발광을 눈으로 볼 수 있을 정도의 우수한 발광특성을 나타내었다. 증착전압 변화에 따른 피엘 발광 세기는 증착전압이 0V에서 200V까지는 증가하다가 200V이상에서는 감소한다. 또한, 피엘 피크(PL peak)는 증착전압이 100V에서 400V로 증가함에 따라 2.17eV에서 2.47eV로 증가하여 청색편이 현상을 보인다. 이와 같은 결과는 앞의 라만(Raman) 분석결과에서 알 수 있듯이 낮은 증착전압에서 증착한 박막은 발광 중심으로 작용하는 sp2클러스터(cluster)가 많고 탄소와 수소의 결합이 적으며, 높은 기판에서 증착된 박막은 sp2클러스터(cluster)가 적고 탄소와 수소간의 결합은 많음을 보여준다. 따라서, 증착전압이 낮을 수록 발광중심으로 작용하는 sp2클러스터(cluster)가 증가해 발광 세기가 증가할 것으로 예상되지만, 도 9의 피엘 스펙트럼(PL spectra)은 기판전압이 200V를 중심으로 감소하는 경향을 보인다. 이는 증착전압이 낮으면 박막성장에 참여하는 이온들의 상대적인 에너지가 커져 스퍼터링(sputtering)효과가 강하게 나타나게 되고, 이로 인해 탄소간의 결합(607KJ/mol)보다 비교적 약한 수소와 탄소간의 결합(337.2 KJ/mol)이 더욱 쉽게 끊어짐으로서, 수소가 탄소의 댕글링 본드(dangling bond)를 효과적으로 패시배이션(passivation)하지 못하게되어 비 발광 결합 중심으로 작용하는 탄소의 댕글링 본드가 증가하기 때문으로 여겨진다. 그리고, 높은 증착전압에서는 다수의 수소가 탄소의 댕글링 본드를 패시배이션 시켜 비발광 결합중심의 수는 감소하나 실질적 발광 중심으로 작용하는 탄소간의 결합이 적어져서 발광의 세기가 감소한 것으로 여겨진다. 실제로 증착전압의 증가에 따른 sp2CH3m/sp3CH3n (m=2,3 n=1,2)의 감소와 라만 측정에서 알 수 있듯이 400V인 높은 증착전압에서 증착한 박막은 sp2 결합으로 인한 G 선과 D선 보이지 않은 것은 간접적으로 이러한 가정을 뒷받침해 준다.
이상의 측정결과에서 알 수 있듯이, 본 발명 플라즈마 증착장비를 이용하여 증착전압을 변화시킴에 따라 a-C:H 박막의 물성을 다이아몬드 라이크 카본에서 폴리머 라이크 카본으로 변화시켜 원하는 성질을 갖는 소자를 제작할 수 있게 된다.
상기와 같이 본 발명에 의한 플라즈마 증착장비 및 이를 이용한 수소포함 비정질 탄소박막 제조방법은 전극의 형태를 그물망 형태로 하여 방전전원을 직류전원으로 사용하였다. 따라서, 통상의 알에프 전원 보다 훨씬 저렴한 직류전원으로도 높은 소스기체의 이온화율을 얻을 수 있다. 따라서, 소스기체의 사용에 따른 비용을 포함하여 생산비용을 크게 절감하는 효과를 얻을 수 있다. 아울러 안정된 플라즈마를 유지하여 균일한 박막을 형성할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 플라즈마 증착장비에 사용하는 전극들을 지지하는 전극지지대를 착탈 가능한 형태로 형성하여 고장수리 및 교체가 용이하게 하는 효과를 얻을 수 있다. 본 발명에 의한 플라즈마 증착장비를 이용하여 수소포함 비정질 탄소박막을 제조하는 방법에서는 증착전압을 변경함에 따라 제조자가 원하는 물성을 갖는 a-C:H 박막을 증착함으로서 용이하게 수소포함 탄소박막의 물성을 원하는 형태로 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 원통형 챔버와;
    상기 챔버의 내부에 장착된 착탈가능한 전극지지수단과;
    상기 전극지지수단에 고정되어, 직류전원을 인가 받아 상기 챔버내에 플라즈마를 형성하고 유지하는 그물형태를 갖는 복수개의 전극부와;
    시료기판을 고정시키고, 상기 시료기판에 소정의 열과 소정의 전압을 인가하는 시료지지수단을 포함하여 는 것을 특징으로 하는 플라즈마 증착장비.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 복수개의 전극부는 제 1전극부와, 상기 제 1전극부를 기준으로 양쪽에 대향하고 있는 제 2 전극부와, 제 3 전극부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 증착장비.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 복수개의 전극은 상기 원통형 챔버와 수직하며, 상기 복수개의 전극들의 면은 서로 평행하게 설치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 증착장비.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 복수개의 전극은 원형의 지지수단에 망간 간격이 1cm가 되도록 선경 1mm의 금속선을 결선 하여 된 것을 특징으로 하는 플라즈마 증착장비.
  5. 제 1항 또는 제 4항에 있어서, 상기 복수개의 전극은 스테인레스, 알루미늄, 두랄미늄 그리고, 몰리브텐 중 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 증착장비.
  6. 그물망형의 복수개의 전극을 챔버내에 설치하고, 시료기판을 고정하는 시료지지대를 상기 복수개의 전극중 어느 하나의 외부에 설치하고, 상기 챔버를 진공상태로 만드는 단계와;
    상기 챔버의 내부에 소스가스 및 촉매가스를 주입하여, 챔버내부를 소정 압력의 상태로 유지하는 주입단계와;
    직류전원을 그물망형 전극에 인가하여 상기 소스 가스를 플라즈마 상태로 만드는 플라즈마 생성단계와;
    상기 시료지지대에 소정의 열과 소정의 전압을 인가하여 상기 플라즈마를 상기 시료기판으로 이동시켜 상기 시료기판의 상부에 박막을 증착하는 증착단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 포함 비정질 탄소박막 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 가스 주입단계에서 주입하는 소스가스는 탄수화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 포함 비정질 탄소박막 제조방법.
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