KR100360281B1 - 다이아몬드 기상 합성 장치 및 이를 이용한 합성 방법 - Google Patents

다이아몬드 기상 합성 장치 및 이를 이용한 합성 방법 Download PDF

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Abstract

다이아몬드 기상 합성 장치 및 이를 이용한 합성 방법에 관해서 개시한다. 본 발명의 다이아몬드 기상 합성 장치는 기판, 기판이 장착될 기판지지대, 기판지지대 상부에 설치되며 기판상에 다이아몬드 박막을 형성하기 위한 반응가스를 공급하는 반응가스공급부, 기판지지대에 평행하도록 반응가스공급부와 기판지지대 사이에 설치되며 반응가스를 활성화시키기 위한 열전자 방사재 및 열전자 방사재 하부에 설치되며 열전자 방사재를 이용하여 활성화시킨 반응가스에 의해 분해되어 기판상에 탄소를 공급하는 고상 탄소공급부재를 포함하는 진공챔버를 구비한다. 본 발명에 따르면, 다이아몬드 합성속도가 향상되고, 미세하고 균일한 입자들로 이루어진 다이아몬드 박막을 형성할 수 있다.

Description

다이아몬드 기상 합성 장치 및 이를 이용한 합성 방법 {Apparatus of vapor phase-synthesis for diamond and synthesizing method using the same}
본 발명은 다이아몬드 기상 합성 장치 및 합성 방법에 관한 것으로, 특히 열필라멘트(Hot Filament) CVD(Chemical Vapor Deposition)법에 의한 다이아몬드 기상 합성 장치 및 이를 이용한 합성 방법에 관한 것이다.
다이아몬드는 기계적, 열적, 광학적 성질 등 여러 가지 면에서 특출한 성질을 갖고 있어 활용가치가 큰 재료이다. 또한, 다이아몬드는 큰 밴드 갭(band gap), 작은 유전 상수, 큰 홀 이동도(hole mobility) 및 높은 열전도도의 특성뿐만 아니라 내열성이 있어서, 전자소자로써의 응용이 기대되어지고 있다.
최근에는 다이아몬드 박막을 형성할 수 있는 다양한 방법들이 개발되면서 이 분야의 응용가능성이 높아지고 있다. 특히, 다이아몬드 기상 합성 방법은 기존 반도체의 한계를 극복하기 위한 대안으로서, 다이아몬드 연구의 최대 과제 중 하나이다.
다이아몬드 기상 합성 방법으로는 여러 종류가 있는데, 반응가스인 수소가스와 탄화수소가스의 혼합가스를 활성화하는 방법에 따라 몇 가지로 구분된다. 일본 특허공개 소화 제58-135117호에 게시된 고주파 플라즈마 CVD법, 일본특허공개 소화 제58-110494호, 소화 제59-3098호 및 미합중국특허 제4434188호에 게시된 마이크로파 플라즈마 CVD법, 일본특허공개 소화 제58-91100호에 게시된 열필라멘트 CVD법 등이 있다. 그 밖에도 아크 제트 플라즈마, 산소 아세틸렌 불꽃, 직류 플라즈마, 전자공명 CVD법 또는 레이저 조사 등을 이용한 방법들이 보고되어 있다.
마이크로파 플라즈마 CVD법은 전극이나 열전자 방사재 등을 사용하지 않으므로 이들로부터의 오염이 없어 고순도의 다이아몬드 합성에 널리 사용되고 있다. 하지만, 합성 장치의 제작에 많은 비용이 소요될 뿐만 아니라, 단위면적의 다이아몬드 합성에 소요되는 전력량이 지나치게 크다. 또한, 합성속도도 시간당 최대 3 μm 정도여서 대면적의 다이아몬드를 합성할 경우, 특수한 용도의 고부가가치의 제품 외에는 적용이 곤란한 문제점이 있다.
열필라멘트 CVD법은 열전자 방사재인 필라멘트를 가열하여 그 열원으로 반응가스인 수소가스와 탄화수소가스의 혼합가스를 분해시키는 방법에 의하여 다이아몬드를 합성한다. 이 방법에 의하면, 마이크로파 플라즈마 CVD법에 비하여, 합성 장치의 제작 비용이 저렴하고, 필라멘트의 복수화 및 형상의 다양화를 통하여 대면적의 다이아몬드 박막의 합성이 용이하다. 그러나, 다이아몬드 합성속도가 시간당 최대 1 μm 정도에 불과하다는 것이 단점이다. 합성속도를 향상시키기 위해서는 반응가스중의 탄화수소가스 함량을 증가시켜야하나, 그럴 경우 다이아몬드 박막 내에 흑연성분이 포함되어 다이아몬드 박막의 결정성 및 순도가 떨어진다. 또한, 필라멘트가 흑연으로 도포되어, 지속적으로 일정한 다이아몬드 박막을 형성하기가 어려운 문제점이 있다. 따라서, 반응가스중의 탄화수소가스 함량을 통상 1% 미만으로 제한하므로, 다이아몬드 합성속도가 작다.
따라서, 적은 비용으로 대면적 다이아몬드 박막 형성이 가능한 열필라멘트 CVD법을 이용하여 고순도의 다이아몬드 박막을 대량생산하기 위해서는, 열전자 방사재에 흑연이 도포되는 문제없이 다이아몬드 합성속도가 향상된 다이아몬드 기상 합성 장치 및 합성 방법이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전자 방사재에 흑연이 도포되는 문제없이 다이아몬드 합성속도가 향상된, 열필라멘트 CVD법에 의한 다이아몬드 기상 합성 장치 및 이를 이용한 합성 방법을 제공하는 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 다이아몬드 기상 합성 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 다이아몬드 기상 합성 장치를 이용하여 형성한 다이아몬드 박막의 단면 및 표면의 주사전자현미경 사진이다.
도 3a 및 도 3b는 종래의 열필라멘트 CVD법에 의한 다이아몬드 기상 합성 장치를 이용하여 형성한 다이아몬드 박막의 단면 및 표면의 주사전자현미경 사진이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 반응가스공급부, 110 : 열전자 방사재, 120 : 기판,
130, 130' : 고상 탄소공급부재, 140 : 기판지지대, 150 : 진공챔버,
165 : 압력계, 170 : 유량조절장치, 175 : 진공파이프,
180 : 로터리 펌프, 185 : 진공배기구, 190 : 압력조절밸브,
195 : 메인 밸브
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 기판, 상기 기판이 장착될 기판지지대, 상기 기판지지대 상부에 설치되며 상기 기판상에 다이아몬드 박막을 형성하기 위한 반응가스를 공급하는 반응가스공급부, 상기 기판지지대에 평행하도록 상기 반응가스공급부와 상기 기판지지대 사이에 설치되며 상기 반응가스를 활성화시키기 위한 열전자 방사재 및 상기 열전자 방사재 하부에 설치되며 상기 열전자 방사재를 이용하여 활성화시킨 반응가스에 의해 분해되어 상기 기판상에 탄소를 공급하는 고상 탄소공급부재를 포함하는 진공챔버를 구비하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 기상 합성 장치를 제공한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 또한 본 발명은, 진공챔버내에서 열전자 방사재를 이용하여 활성화시킨 반응가스에 의해 기판상에 탄소를 공급하여 상기 기판상에 다이아몬드 박막을 형성하는 다이아몬드 기상 합성 방법에 있어서, 상기 탄소를 공급하는 단계는, 고상 탄소공급부재를 상기 진공챔버내에 장착하는 단계, 상기 열전자 방사재를 이용하여 상기 반응가스를 활성화시키는 단계 및 상기 활성화시킨 반응가스에 의해 상기 고상 탄소공급부재를 분해하여 상기 기판상에 탄소를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 기상 합성 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 고상 탄소공급부재는 상기 기판지지대상에 장착되는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 고상 탄소공급부재는 상기 기판과 상기 기판지지대 사이에 개재되는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 반응가스는 수소가스 또는 수소가스 및 탄화수소가스의 혼합가스인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 고상 탄소공급부재는 흑연 플레이트인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 고상 탄소공급부재를 분해시켜 기판상에 탄소를 공급한다. 종래의 방법에서와 같이 탄소의 공급을 반응가스중의 1% 정도의 함량인 탄화수소가스에만 의존하는 경우보다 훨씬 많은 양의 탄소를 공급할 수 있다. 따라서, 다이아몬드 합성의 원료인 탄소의 양이 증가되어 다이아몬드의 합성속도가 향상된다. 그런데, 상기 고상 탄소공급부재에서 공급되는 탄소는, 상기 고상 탄소공급부재가 상기 반응가스공급부와 상기 열전자 방사재의 하부에 있으므로, 상기 반응가스공급부로부터 상기 열전자 방사재를 통하는 가스 흐름에 의해서 상기 열전자 방사재에 다다르지 못하게 된다. 따라서, 상기 열전자 방사재 표면의 흑연 도포 현상 없이, 다이아몬드의 합성속도를 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 도면상에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 다이아몬드 기상 합성 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다이아몬드 기상 합성 장치는 반응가스공급부(100), 열전자 방사재(110), 기판(120), 고상 탄소공급부재(130, 130') 및 기판지지대(140)가 포함되는 진공챔버(150)를 구비하고 있다. 이외에도 상기 진공챔버(150)에는 내부를 관찰할 수 있는 시창(view port)(미도시)과, 상기 진공챔버(150)내의 압력을 측정할 수 있는 압력계(165)가 형성되어 있다. 또한, 상기 반응가스공급부(100)로부터 유입되는 반응가스의 유량을 조절하기 위한 유량조절장치(170)가 설치되어 있다. 상기 진공챔버(150) 하단부에는 진공파이프(175)를 통해 로터리 펌프(180)와 연결되는 진공배기구(185)가 형성되어 있다. 상기 로터리 펌프(180)를 이용하여 상기 진공챔버(150)내에 진공상태를 형성하며, 진공상태의 조절은 상기 진공파이프(175)에 설치되어 있는 압력조절밸브(190)와 메인 밸브(195)에 의한다. 상기 진공챔버(150)에는 내부의 온도 측정을 위한 열전대(미도시)가 더 구비될 수 있다. 상기 열전자 방사재(110)의 온도는 보통 옵티컬 파이로미터(optical pyrometer)(미도시)로 측정한다.
상기 반응가스공급부(100)를 통해 다이아몬드 박막 형성을 위한 반응가스가공급된다. 상기 반응가스는 수소가스 또는 수소가스 및 탄화수소가스의 혼합가스인 것이 바람직하다. 상기 반응가스는 상기 열전자 방사재(110)에 의하여 활성화된다. 상기 열전자 방사재(110)로는 통상 텅스텐(W) 재질의 필라멘트를 사용한다. 피복대상물로서의 상기 기판(120)은 보통 다이아몬드 기판, 실리콘 기판 등을 사용한다.
종래의 기판지지대는 단순히 기판을 지지하는 역할을 담당하거나 필요에 따라 냉각 또는 가열의 기능만을 하였다. 그러나, 본 발명에 따른 다이아몬드 기상 합성 장치에서는 상기 기판지지대(140)상에 상기 고상 탄소공급부재(130, 130')가 장착되는 것이 특징이다. 상기 고상 탄소공급부재(130, 130')는 도 1a에서와 같이 상기 기판(120)의 측면에 장착되거나, 도 1b에서와 같이 상기 기판(120)의 하부에 장착될 수도 있다. 물론, 상기 고상 탄소공급부재(130, 130')는 상기 기판지지대(140)상이 아닌, 상기 열전자 방사재(110)와 상기 기판(120) 사이의 적절한 위치에 장착될 수도 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자에게는 충분히 이해될 수 있을 것이다. 상기 고상 탄소공급부재(130, 130')로는 흑연 플레이트를 사용할 수 있다.
상기 열전자 방사재(120)를 2000℃ 이상으로 가열하면, 상기 고상 탄소공급부재(130, 130')의 흑연 성분은 상기 열전자 방사재(120)를 이용하여 활성화시킨 반응가스에 의해 분해된다. 따라서, 상기 반응가스에 포함된 탄화수소가스뿐만 아니라, 상기 고상 탄소공급부재(130, 130')도 다이아몬드 합성에 필요한 탄소의 공급원으로 작용한다. 흑연의 분해에 의하여 발생한 탄소는 상기 반응가스공급부(100)와 상기 진공배기구(185) 사이의 가스 흐름에 의해서 상기 열전자 방사재(110)에 다다르지는 못하므로, 상기 열전자 방사재(110) 표면의 흑연 도포 현상을 야기하지 않는다. 즉, 공급되는 탄소의 양이 많아져도 상기 열전자 방사재(110)는 지속적으로 열전자 방출을 할 수 있어, 다이아몬드의 합성속도가 개선되는 것이다.
통상적으로 다이아몬드 박막은 막두께가 증가함에 따라, 박막 표면의 다이아몬드 입자가 조대해져서 박막 표면이 거칠어지는 문제가 있다. 그 원인은 박막 성장시 우선 성장면으로 배향된 입자들만이 크게 성장하기 때문인 것으로 알려져 있다. 본 발명에 따르면, 흑연의 분해에 의해서 종래의 방법보다 상대적으로 많은 양의 탄소가 공급됨으로 인해, 성장하는 다이아몬드 입자 위에 2차 핵생성이 촉진되어 미세한 입자들로 이루어진 박막이 형성된다. 따라서, 다이아몬드 박막의 막두께가 증가해도 표면조도의 저하가 발생하지 않는다.
이하, 실험예들을 설명함으로써, 본 발명에 따른 다이아몬드 기상 합성 장치 및 이를 이용한 합성 방법을 보다 구체적으로 설명한다.
제1 실험예
본 실험예에서는 도 1b와 관련하여 설명한 다이아몬드 기상 합성 장치를 이용하여 다이아몬드 박막을 형성하였다.
기판(120)은 20mmx20mmx5mm 크기의 실리콘 기판으로 준비하였다. 실리콘 기판에 전처리를 하지 않으면 다이아몬드의 핵생성 밀도가 너무 낮다. 따라서, 보통 다이아몬드 연마제를 이용한 표면 스크래칭이나 초음파 진동처리에 의하여 실리콘 기판을 전처리한다. 본 실험예에서는 실리콘 기판을 2 - 4 μm의 다이아몬드 입자가 분산된 알코올에서 30분간 초음파 진동처리하였다. 진공챔버(150)내에 설치된 기판지지대(140)상에 장착된 고상 탄소공급부재(130') 위에 상기 기판(120)을 탑재하였다. 상기 고상 탄소공급부재(130')로는 흑연 플레이트를 사용하였다. 반응가스로는 수소가스와 메탄가스의 혼합가스를 사용하였는데, 유량조절장치(170)를 이용하여 수소가스의 유량은 990 sccm, 메탄가스의 유량은 10 sccm으로 하였다. 상기 반응가스는 반응가스공급부(100)를 통하여 상기 진공챔버(150)내로 공급하였다. 상기 진공챔버(150)내의 압력을 10 Torr로 조절한 후 열전자 방사재(110)인 텅스텐 필라멘트를 2100℃로 가열하여, 상기 기판(120)의 표면온도를 900℃로 유지하였다. 이와 같은 조건에서 2 시간동안 다이아몬드 박막을 형성한 후 주사전자현미경과 라만분광분석을 이용하여 결과를 분석하였다.
도 2a와 도 2b는 각각 본 실험예에 의하여 형성한 다이아몬드 박막의 단면 및 표면의 주사전자현미경사진이다.
도 2a를 참조하면, 다이아몬드 박막의 두께가 20 μm 이상이다. 다이아몬드의 합성속도가 시간당 10 μm 이상임을 알 수 있다. 따라서, 종래의 열필라멘트 CVD법에 비해 합성속도가 향상되었음을 알 수 있다.
뿐만 아니라, 도 2b를 참조하면, 다이아몬드의 막두께가 증가했음에도 불구하고 표면이 매우 미세한 입자들로 이루어져 있음을 알 수 있다.
그리고, 라만분광분석에서도 다이아몬드의 특성 피크인 1334cm-1의 피크 외에 흑연이나 비정질 탄소와 같은 불순물에 의한 피크는 매우 작게 나타났다.
제2 실험예
상기 제1 실험예에서의 조건과 동일하게 하되, 반응가스로서 수소가스만을 1000 sccm의 유량으로 흘려주면서 2 시간 동안 다이아몬드 박막을 형성하였다. 그 결과, 상기 제1 실험예에서와 거의 동일한 다이아몬드 박막이 형성되었으며, 단지 다이아몬드 박막의 두께가 약 10% 정도 감소하였다. 이것은, 반응가스에 메탄가스를 사용하지 않아서, 다이아몬드 합성에 사용되는 탄소의 공급량 중에서 반응가스로부터의 공급분이 없어졌기 때문으로 생각된다. 이로부터, 합성되는 다이아몬드는 흑연성분의 상기 고상 탄소공급부재(130')의 분해에 의해서 공급된 탄소를 대부분의 원료로 함을 확인할 수 있다.
비교 실험예
본 실험예에서는 종래 열필라멘트 CVD법에 의한 다이아몬드 기상 합성 장치를 이용하여 다이아몬드 박막을 형성하였다.
상기 합성 장치에는 몰리브덴(Mo) 재질의 플레이트가 기판지지대 위에 장착되어 있다. 다이아몬드 박막 형성을 위한 다른 조건은 상기 제1 실험예의 조건과 모두 동일하게 하였다.
도 3a와 도 3b는 각각 본 실험예에 의하여 형성한 다이아몬드 박막의 단면 및 표면의 주사전자현미경 사진이다.
도 3a를 참조하면, 다이아몬드 박막 두께가 2 μm 정도로 다이아몬드 합성속도가 시간당 1 μm 정도이다. 따라서, 본 발명에 따른 다이아몬드 기상 합성 장치 및 이를 사용한 합성 방법에 비해 합성속도가 작음을 알 수 있다.
또한, 도 3b를 참조하면, 도 2a를 참조하여 설명한 상기 제1 실험예에 비하여 다이아몬드 박막이 얇음에도 불구하고, 다이아몬드 박막 표면의 입자크기가 도 2b 에서 살펴본 상기 제1 실험예의 경우에 비해 큼을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.
상술한 본 발명에 의하면, 다이아몬드의 합성속도가 시간당 10 μm 이상으로, 종래의 열필라멘트 CVD법에 의한 합성속도인 시간당 1 μm 정도보다 훨씬 빠른 속도를 나타낸다. 따라서, 종래의 열필라멘트 CVD법과 동일한 전력 및 가스소비 조건에서 10배 정도의 합성속도를 구현할 수 있다.
그리고, 형성된 박막에 대해 라만분광분석을 실시하면, 다이아몬드의 특성 피크인 1334cm-1가 매우 높게 관찰되고 흑연이나 비정질 흑연의 피크는 거의 관찰되지 않는다. 따라서, 고순도의 다이아몬드 박막이 형성됨을 알 수 있다.
또한, 흑연의 분해에 의해서 종래의 열필라멘트 CVD법에 비해 상대적으로 많은 양의 탄소가 공급됨으로 인해, 성장하는 다이아몬드 입자 위에 2차 핵생성이 촉진된다. 이로써, 막두께 증가에 따른 표면 입자의 조대화 현상이 나타나지 않고, 미세한 입자들로 이루어진 박막이 형성된다. 따라서, 다이아몬드 박막의 연마처리 등의 후가공시에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.

Claims (6)

  1. 기판;
    상기 기판이 장착될 기판지지대;
    상기 기판지지대 상부에 설치되며 상기 기판상에 다이아몬드 박막을 형성하기 위한 반응가스를 공급하는 반응가스공급부;
    상기 기판지지대에 평행하도록 상기 반응가스공급부와 상기 기판지지대 사이에 설치되며 상기 반응가스를 활성화시키기 위한 열전자 방사재; 및
    상기 열전자 방사재 하부에 설치되며 상기 열전자 방사재를 이용하여 활성화시킨 반응가스에 의해 분해되어 상기 기판상에 탄소를 공급하는 고상 탄소공급부재를 포함하는 진공챔버를 구비하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 기상 합성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고상 탄소공급부재는 상기 기판지지대상에 장착되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 기상 합성 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고상 탄소공급부재는 상기 기판과 상기 기판지지대 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 기상 합성 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반응가스는 수소가스 또는 수소가스 및 탄화수소가스의 혼합가스인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 기상 합성 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고상 탄소공급부재는 흑연 플레이트인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 기상 합성 장치.
  6. 진공챔버내에서 열전자 방사재를 이용하여 활성화시킨 반응가스에 의해 기판상에 탄소를 공급하여 상기기판상에 다이아몬드 박막을 형성하는 다이아몬드 기상 합성 방법에 있어서,
    상기 탄소를 공급하는 단계는,
    고상 탄소공급부재를 상기 진공챔버내에 장착하는 단계;
    상기 열전자 방사재를 이용하여 상기 반응가스를 활성화시키는 단계; 및
    상기 활성화시킨 반응가스에 의해 상기 고상 탄소공급부재를 분해하여 상기 기판상에 탄소를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 기상 합성 방법.
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