KR100922543B1 - 나노 결정질 다이아몬드 박막 중의 비정상 거대 입자의개재를 방지하는 방법 - Google Patents
나노 결정질 다이아몬드 박막 중의 비정상 거대 입자의개재를 방지하는 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR100922543B1 KR100922543B1 KR1020070093541A KR20070093541A KR100922543B1 KR 100922543 B1 KR100922543 B1 KR 100922543B1 KR 1020070093541 A KR1020070093541 A KR 1020070093541A KR 20070093541 A KR20070093541 A KR 20070093541A KR 100922543 B1 KR100922543 B1 KR 100922543B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- thin film
- nitrogen
- substrate
- abnormal
- inclusion
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 75
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 title claims abstract description 29
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 21
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 21
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 62
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 33
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 78
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 71
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 36
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 32
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 32
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 26
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 19
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 19
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 7
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 5
- 238000004050 hot filament vapor deposition Methods 0.000 claims description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 claims description 2
- 238000004886 process control Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 16
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 14
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 11
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 11
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 7
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 7
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 description 7
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N Magnesium oxide Chemical compound [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 229940029329 intrinsic factor Drugs 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- -1 for example Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 2
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- AGVAZMGAQJOSFJ-WZHZPDAFSA-M cobalt(2+);[(2r,3s,4r,5s)-5-(5,6-dimethylbenzimidazol-1-yl)-4-hydroxy-2-(hydroxymethyl)oxolan-3-yl] [(2r)-1-[3-[(1r,2r,3r,4z,7s,9z,12s,13s,14z,17s,18s,19r)-2,13,18-tris(2-amino-2-oxoethyl)-7,12,17-tris(3-amino-3-oxopropyl)-3,5,8,8,13,15,18,19-octamethyl-2 Chemical compound [Co+2].N#[C-].[N-]([C@@H]1[C@H](CC(N)=O)[C@@]2(C)CCC(=O)NC[C@@H](C)OP(O)(=O)O[C@H]3[C@H]([C@H](O[C@@H]3CO)N3C4=CC(C)=C(C)C=C4N=C3)O)\C2=C(C)/C([C@H](C\2(C)C)CCC(N)=O)=N/C/2=C\C([C@H]([C@@]/2(CC(N)=O)C)CCC(N)=O)=N\C\2=C(C)/C2=N[C@]1(C)[C@@](C)(CC(N)=O)[C@@H]2CCC(N)=O AGVAZMGAQJOSFJ-WZHZPDAFSA-M 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000000259 microwave plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000000427 thin-film deposition Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/02—Elements
- C30B29/04—Diamond
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/26—Deposition of carbon only
- C23C16/27—Diamond only
- C23C16/277—Diamond only using other elements in the gas phase besides carbon and hydrogen; using other elements besides carbon, hydrogen and oxygen in case of use of combustion torches; using other elements besides carbon, hydrogen and inert gas in case of use of plasma jets
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/26—Deposition of carbon only
- C23C16/27—Diamond only
- C23C16/271—Diamond only using hot filaments
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/26—Deposition of carbon only
- C23C16/27—Diamond only
- C23C16/279—Diamond only control of diamond crystallography
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
- H01L21/77—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate
- H01L21/78—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices
- H01L21/82—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components
- H01L21/84—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components the substrate being other than a semiconductor body, e.g. being an insulating body
Abstract
본 발명은 나노 결정질 다이아몬드 박막 중의 비정상 거대 입자 (abnormal large grain)의 개재를 방지하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 방법은 열 필라멘트 시브이디 공정으로 나노 결정질 다이아몬드 박막을 증착함에 있어 부적절한 공정제어로 인해 야기될 수 있는 비정상 거대 입자의 개재를 방지할 수 있게 해줌으로써, 비정상 거대 입자의 개재로 인해 야기될 수 있는 각종 응용분야에서의 문제점들을 미연에 방지할 수 있게 해준다.
Description
본 발명은 열 필라멘트 시브이디 (hot filament CVD) 공정으로 증착된 나노 결정질 다이아몬드 박막 내에 비정상 거대 입자가 개재되는 것을 방지하는 방법에 관한 것이다.
나노 결정질 다이아몬드 박막 (Nanocrystalline diamond thin film; 이하, "NCD 박막")은 그 결정립의 크기가 수 ㎚에서 수십 ㎚ 수준인 다이아몬드 박막으로, 결정립의 크기가 ㎛ 수준인 기존의 마이크로 결정질 다이아몬드 박막 (microcrystalline diamond film; 이하, "MCD 박막")에 비하여 표면조도 (surface roughness)가 작고 증착온도가 낮으며 잔류응력이 작을 뿐 아니라, 주상정 (Columnar) 구조 대신에 등축 (equiaxed) 결정립 구조를 가지는 등의 장점 때문에 보다 폭넓은 응용분야에 적용될 수 있어 최근 큰 관심의 대상이 되고 있다.
NCD 박막을 증착하는 방법으로 마이크로웨이브 플라스마 시브이디 공정 (Microwave plasma-assisted CVD) 및 열 필라멘트 시브이디 (hot filament CVD) 공정이 가장 널리 사용되고 있다. 마이크로웨이브 플라스마 시브이디 방식은 공정의 오염원 (contamination source)이 적고 플라스마를 사용하므로 분해효율이 높은 장점이 있는 반면, 장비가 고가이고 대면적화가 까다로운 단점이 있다. 이에 비해 열 필라멘트 시브이디 방법은 경제적이며 대면적 양산 공정화가 용이한 장점이 있다.
NCD 박막 증착에 있어 가장 중요한 관심사 중 하나는, 결정립의 크기를 ㎚ 크기로 미세화하는 것과 더불어 그 미세조직을 균일하게 구현하는 일이다. 이러한 미세조직적 특징으로는 결정립의 크기 및 분포, 표면조도, 핀홀 또는 보이드 (void)의 유무 등을 들 수 있는데, 이 중에서도 결정립의 크기 및 분포는 가장 중요한 변수들 중의 하나이다. 예를 들어 20∼50 ㎚ 수준의 결정립으로 구성된 NCD 박막에 간혹 수백 ㎚ 이상 혹은 ㎛ 크기의 거대 입자가 개재되어 있을 가능성이 있다. 이러한 비정상 거대 입자의 개재는 주로 절삭공구, 내마모공구 또는 고온 구조체 등의 기계적 강성이 요구되는 응용분야에 사용되는 초경 (cemented carbide) 등의 경질 탄화물 소결체를 비롯한 세라믹 소결체 미세조직에서는 수십년 전부터 잘 알려진 현상인데, 파괴강도의 저하를 야기하는 것으로 알려져 있어 이를 방지하기 위한 많은 연구가 이루어져 왔다 (문헌 [Cha et al. Material Science and Engineering A, 356:381-389, 2003] 및 [Cho et al., J. Am. Ceram. Soc., 87(3):443-448, 2004] 참조).
이러한 연구의 일환으로, 문헌 [Wei Liu, et al., Thin Solid Films, 467:4-9, 2004], Shr-Ming Huang, et al., Surface and Coatings Technology, 200:3160-3165, 2006] 및 X. T. Zhou, et al., Applied Physics Letters, 80:3307-3309, 2002]에서는 증착과정 동안 계속해서 기판에 네거티브 바이어스 (negative bias)를 걸어줌으로써 결정립의 크기를 감소시키는 방법을 시도하였다. 그러나, 이 방법은 질량이 큰 이온의 충돌에 의해 다이아몬드 박막 표면에 손상을 주게 되어 다이아몬드 박막 표면의 비 다이아몬드 상의 함유율이 높아지고, 잔류응력이 크게 증가하는 단점이 있다.
또한, 문헌 [Wu Nan-Chun, et al., Chin. phys. lett., 22(11):2969-2972, 2005]은 EACVD (electron-associated CVD) 공정에서 기판에 포지티브 바이어스 (positive bias)를 가하는 방법과, 가스압을 7 torr 이하로 낮추는 방법을 동시에 사용하여 결정립의 크기를 ㎚ 수준의 크기로 미세화하는 방법을 시도하였다. 상기 문헌에서는, 결정립 미세화는 포지티브 바이어스에 의한 전자의 충돌에 의해 유발되므로, 압력을 낮추어 전자의 평균 자유 경로 (mean free path)를 증가시킴에 따라 바이어스에 의한 전자의 가속 정도가 증가하여 기판에의 충돌속도가 증가하고 이 때문에 미세화가 가속된다고 보았다. 다만, 원료가스 성분으로 질소가스를 사용하지 않았고, 산소를 포함하는 탄소원 (CH3COCH3)을 사용하였으며, 사용한 가스압의 범위가 매우 낮았다. 또한, 상기 문헌에서는 15 torr의 가스압에서는 MCD가 증착되는 반면, 압력을 7.5 torr 및 0.75 torr로 점차 낮춰 주면 NCD가 형성된다고 함으 로써, 압력을 낮춰 줌에 따라 결정립의 크기가 작아진다고 주장하였다.
이처럼, 열 필라멘트 시브이디 공정으로 증착된 NCD 박막의 미세조직에서 발생하는 비정상 거대 입자의 개재를 방지하고자 하는 노력이 이루어져 왔으나, 이에 대한 기술의 개발이 계속 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 수소/탄화수소/질소가스 혼합체를 원료가스로 사용하는 열 필라멘트 시브이디 방법을 사용하여 증착된 NCD 박막의 제조시, 미세조직 내에서의 비정상 거대 입자의 개재를 방지할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해서 본 발명은, 탄화수소-질소-수소의 혼합가스를 원료가스로 사용하는 열 필라멘트 시브이디 (hot filament CVD) 공정을 이용하여 NCD 박막을 증착시키는 방법에 있어서, 1) 열전도도가 양호하면서도 증착 환경에서 불활성인 재료를 기판에 접촉시키고, 이를 기판으로부터 50 ㎜ 이상 떨어진 위치까지 확장시킨 후, 그 위치에서 열전대로 온도를 측정하는 방법, 2) 불활성이면서도 열전도도가 높은 물질로 증착영역에 인접한 열전대 부위를 보호 피복하는 방법, 및 3) 열전대를 사용하지 않는 비접촉식 온도 측정 수단을 사용하는 방법으 로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는, NCD 박막 중의 비정상 거대 입자의 개재를 방지하는 방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위해서 또한 본 발명은, 탄화수소-질소-수소의 혼합가스를 원료가스로 사용하는 열 필라멘트 시브이디 공정을 이용하여 NCD 박막을 증착시키는 방법에 있어서, 1) 챔버 가스압을 임계치 이상으로 증가시키는 방법, 2) 수소, 질소, 탄화수소를 혼합한 원료가스 중의 탄화수소와 질소의 함량을 제어하는 방법, 및 3) 기판에 포지티브 바이어스를 인가하는 방법으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는, NCD 박막 중의 비정상 거대 입자의 개재를 방지하는 방법을 제공한다.
본 발명의 방법은 열 필라멘트 시브이디 공정으로 NCD 박막을 증착함에 있어 부적절한 공정제어로 인해 야기될 수 있는 비정상 거대 입자의 개재를 방지할 수 있게 해줌으로써, 비정상 거대 입자의 개재로 인해 야기될 수 있는 각종 응용분야에서의 문제점들을 미연에 방지할 수 있게 해준다.
본 발명은 탄화수소-질소-수소의 혼합가스를 주성분으로 하는 원료가스를 사용하여 열 필라멘트 시브이디 공정에 의하여 열 필라멘트 바로 아래에 장착된 기판상에 NCD 박막을 증착함에 있어, 증착된 NCD 박막 미세조직 내의 외재적 (extrinsic) 요인 및 내재적 (intrinsic) 요인에 의한 비정상 거대 입자의 개재 현상을 방지하는 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 열 필라멘트 시브이디 방법을 사용하여 NCD 박막을 제조하며, 원료가스로는 탄화수소-질소-수소 혼합가스를 사용한다. 상기 탄화수소는 메탄, 에탄 및 프로판으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하며, 원료가스 중의 탄화수소의 함량은 1 내지 8 부피%, 바람직하게는 3 내지 6 부피%이고, 질소의 함량은 0.1 내지 1.5 부피%, 바람직하게는 0.2 내지 1 부피%이며, 탄화수소와 질소의 비율은 6:1 내지 15:1인 것이 바람직하다. 가스압은 10 torr 내지 500 torr, 바람직하게는 10 내지 100 torr인 것이 바람직하다. 이때 탄화수소의 함량은 가스압에 따라서 적절히 제어하는 것이 좋은데, 예를 들어 가스압이 30 내지 100 torr 구간에 있을때 에는 탄화수소의 함량을 3 내지 6 부피%로 하는 것이 바람직하며, 가스압이 10 내지 15 torr 가량으로 보다 낮을 경우에는 탄화수소의 함량의 하한을 보다 증가시켜 5 내지 6 부피%로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 상기 비정상 거대 입자 개재의 외재적 요인은 증착온도 측정에 사용되는 열전대 (thermocouple) 금속선 및 그것을 전기적으로 절연하기 위한 세라믹 절연 튜브 등의 영향에 의한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 열 필라멘트 시브이디 공정에서, 필라멘트 (1)는 기판 (4)의 바로 위 약 5 ㎜ 내외의 거리에 여러 개의 텅스텐 도선을 수평하게 배치하고 전기적으로 가열하여 약 2,400℃ 이상의 온도로 가열한다. 기판 (4)은 고융점 금속으로 제조한 기판 홀더 (3) 위에 장착하고 기판 홀더 (3)는 냉각 블록 (2) 위에 장착한다. 기판 (4)의 온도는 기판 홀더 (3)와 냉각 블록 (2) 간의 열적 접촉 (thermal contact)의 정도를 조절하여 제어할 수 있으며, 이때, 기판 (4)의 온도를 제어하기 위해서는 기판 (4) 그 자체 또는 기판 홀더 (3)의 온도를 측정하고, 그것을 기반으로 하여 열적 접촉을 조절하거나 필라멘트 (1)의 온도를 조절하거나 또는 별도의 히터를 사용한다. 기판 (4)이나 기판 홀더 (3)의 온도를 측정하기 위해서는 열전대 (5)를 사용하는 방법이 가장 일반적으로 사용되고 있다.
상기 열전대는 두 가닥의 가느다란 금속 도선 쌍 (5)의 한쪽 끝 (7)을 서로 맞붙여 용접한 형태로 되어 있고 용접부위를 측정 대상 부위에 접촉시켜 온도를 측정한다. 그런데 두개의 금속 도선은 측정부위에서만 접촉해야 하므로 그 이외의 부위는 세라믹 보호 튜브 (6) 등을 사용하여 전기적으로 절연하는 것이 일반적이다. 열전대용 세라믹 보호 튜브 (6)는 알루미나 (Al2O3) 또는 마그네시아 (MgO) 등의 세라믹 분말을 성형 소결한 것으로 속이 채워진 직경 3㎜ 내외의 원통형 몸체에 그 원통의 축방향으로 한 쌍의 열전대 (5) 금속선이 통과할 수 있는 직경 1 ㎜ 이하의 평행한 한 쌍의 구멍이 뚫려 있는 형태를 가지는 것이 일반적이며, 10 ㎜ 내외 짧은 세라믹 튜브들을 여러개 이어서 사용함으로써 열전대 (5)가 보호 튜브 (6)를 장착한 상태에서 곡선 형태로 구부러지게 하는 경우가 많다.
본 발명에 따르면, 상기 열전대를 증착영역 인근에 접촉시킨 경우, 열전대와 인접한 영역, 예를 들어 도 1의 기판이 직경 4 인치의 실리콘 웨이퍼인 경우, 열전대를 도 1과 같은 위치에 위치시키면 기판의 좌측단에서는 수십 ㎚의 나노 결정질 다이아몬드 결정립과 함께 1 ㎛ 크기의 거대 결정립이 함께 섞여 있는 미세조직 (도 2b 참조)이 관찰된다. 그러나, 열전대로부터 멀리 떨어진 부위, 예를 들어 도 1의 기판의 중앙부위 또는 우측단에서는 상기와 같은 거대 결정립이 발견되지 않고 모두 수십 ㎚ 이하의 결정립 크기를 보이는 NCD 박막의 전형적 미세조직 (도 2a 참조)을 보인다.
이에 반하여, 열전대를 장착하지 않은 상태에서 증착된 NCD 박막에서는 도 2의 증착조건과 완전히 동일한 조건에서도 기판의 전체에 걸쳐서 거대 결정립의 개재는 전혀 관찰되지 않는다 (도 5 a). 따라서, 도 2b에 나타난 바와 같은 거대 결정립의 개재는 증착영역 인근에 열전대가 노출됨에 따라 생성되는 것임을 알 수 있다.
상기와 같이 세라믹 보호 튜브를 장착한 열전대가 비정상 거대 입자의 개재를 유발하는 메카니즘은 다음과 같이 예상할 수 있다.
일반적으로 열전대 보호 및 절연용 세라믹 튜브는 알루미나 또는 마그네시아 등의 재질로 제조되는데, 이러한 금속들은 공기 중 또는 산소 분위기에서는 고온에 장시간 노출되어도 안정하여 분해되지는 않지만, 탄화수소 및 수소 가스가 열분해되는 강한 환원성 분위기인 열 필라멘트 시브이디 공정의 2,400℃ 내외의 고온 조건에는 상기 금속들, 예를 들어 알루미나가 환원되어 알루미늄과 산소로 분해되고 그 결과 알루미늄이 증착영역에 영향을 주었을 가능성이 있다.
또한, 일반적으로 필라멘트와 기판 또는 기판 홀더 간의 수직거리는 5 내지 8 ㎜ 가량에 불과한 극히 짧은 크기로 유지되며, 열전대는 세라믹 절연 튜브를 끼 운 채로 이 좁은 공간으로 들어가 위로는 2,400℃가 넘는 필라멘트의 복사열에 노출되고, 기판은 그 하부의 기판 홀더를 통해 냉각 블록과 접촉하여 약 700 내지 900℃로 제어된다. 따라서, 열전대의 용접된 말단 포인트는 온도가 제어된 기판의 표면과 접촉되어 온도를 유지하는 반면, 그 이외의 부분은 기판 위의 공간에 떠 있는 상태로 냉각되지 않는 상태에 있기 때문에, 열전대를 보호하는 세라믹 튜브는 냉각되지 않으면서도 기판에 비해 훨씬 더 필라멘트에 가깝게 위치하게 되어 기판보다 훨씬 더 높은 온도로 가열될 가능성이 높다. 이러한 높은 온도에 의하여 알루미나 세라믹의 분해에 의해 생성된 알루미늄의 확산이 가속될 수 있으며, 이렇게 가열된 세라믹 튜브의 온도 때문에 기판에서 상기 튜브와 인접한 부위가 간접적으로 추가 가열되어 온도가 국부적으로 더 높아질 가능성도 있다.
또한, 상기 세라믹 튜브가 다이아몬드 증착 분위기의 강한 환원성 반응가스에 장기간 노출시 점차로 환원되어 변질되고 그 결과 형성된 물질이 불순물로 증착에 영향을 줄 가능성도 배제할 수 없다. 예를 들어, 도 2에 보이는 조직에서 부위별로 박막의 표면에서 표면조성을 분석해보면 (분석영역의 면적은 2 ㎛ × 2 ㎛), 도 2b와 같이 거대 입자가 존재하는 영역에서는 알루미늄 (Al)이 약 7 % 가량 검출되는데 반하여, 도 2a와 같이 거대 입자가 관찰되지 않는 영역에서는 상기와 같은 불순물 혼입이 관찰되지 않는다.
따라서, 본 발명은 이러한 외재적 요인에 의한 거대 결정립의 개재를 방지하기 위하여, 1) 열전대를 증착영역으로부터 공간적으로 격리시키거나, 2) 열전대 및 그 절연 튜브가 증착영역에 물리 화학적으로 영향을 주지 않도록 물리 화학적으로 격리하거나, 또는 3) 열전대를 사용하지 않는 비접촉식 온도 측정 수단을 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 1)의 방법은 다시 몇 가지로 나뉘어진다. 첫째로, 열전대의 존재가 거대 입자의 개재를 유발하지 않을 정도로 50 ㎜ 이상, 바람직하게는 100 ㎜ 이상 떨어진 부위에서 열전대로 온도 측정을 하는 방법이 있다. 두 번째는, 기판 홀더 및 냉각 블록을 관통하는 작은 구멍을 뚫어서 거기에 열전대를 삽입하여 기판의 아랫면의 한점의 온도를 측정하는 방법이다. 이와 같이 기판 하부로부터 열전대를 접촉시키면 열전대는 뜨거운 필라멘트로부터 열적으로 격리되게 되므로 열전대의 존재에 의한 추가 가열 효과도 없고 보호 튜브가 고온에서 열화되는 현상도 발생하지 않는다. 그러나, 상기 방법들은 실제 기판의 표면 온도는 측정하지 못하는 문제가 있으므로, 이를 해결하기 위해서는, 열전도도가 양호하면서도 증착환경에서 불활성인 재료 (예를 들어, 다이아몬드 후막 스트립 (strip))를 기판에 접촉시키고, 그것을 기판으로부터 충분히 멀리 떨어진 위치까지 확장시킨 후, 멀리 떨어진 위치에서 열전대로 온도를 측정하는 방법 등을 사용할 수 있다. 다이아몬드 후막은 열전도도가 구리보다 2 내지 4배가량 높기 때문에 충분히 멀리 떨어진 위치에서도 기판 자체의 온도에 근접한 상태를 유지하므로 거기서 측정된 온도를 사용해도 기판 자체의 온도 제어가 가능하며, 이러한 방법을 통하여 거대 입자의 개재를 방지하면서도 온도를 제어할 수 있다.
또한, 2)의 방법으로는 다이아몬드 증착 환경에서 불활성이면서도 열전도도가 충분히 높은 물질, 즉 다이아몬드 박막 등으로 열전대의 증착영역에 인접한 부 위를 보호 피복하여 사용하는 방법을 들 수 있다.
또한, 3)의 방법은 열전대를 사용하지 않고 광학 온도계를 사용하는 것으로서, 고온의 열 필라멘트로부터 방출되는 적외선을 차단할 수 있는 시야각을 확보하여 광학 온도계로 비접촉식으로 온도를 측정하는 방법을 의미한다. 예를 들어, 도 1의 기판 홀더 및 냉각 블록에 구멍을 뚫어 그 하부 방향에서 기판 방향으로 올려다보았을 때 그 구멍을 통하여 기판의 아랫면이 보이는 구조를 사용하여 그 구멍을 통하여 기판의 온도를 광학 온도계로 비접촉식으로 측정하는 방법을 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서 비정상 거대 입자 개재의 내재적 요인은 상기에서 언급한 외재적 요인을 제거한 경우에도 나타나는 비정상 거대 입자 개재 현상에 대한 것이다. 즉, 본 발명에 따르면, 상기의 외재적 요인을 제거한 경우에도, 증착 변수들의 조합이 적절치 않은 경우에는 수십 ㎚ 크기의 나노 결정질 다이아몬드 결정립들과 함께 1 ㎛ 크기의 비정상 거대 결정립이 개재되는 현상이 발견된다. 예를 들어, 챔버 가스압이 15 torr 또는 10 torr 정도로 낮고, 가스 조성이 3% 메탄-0.3% 질소-96.7% 수소인 원료가스를 사용하여 열 필라멘트 시브이디 공정으로 4인치 실리콘 기판에 증착된 NCD 박막의 미세조직에서는, 크기가 약 700 ㎚ 이상인 비정상 거대 입자의 개재가 관찰된다 (도 3 a 및 도 4 a 참조).
따라서, 본 발명은 이러한 내재적 요인에 의한 거대 결정립의 개재를 방지하기 위하여, 1) 챔버 가스압을 임계치 이상으로 증가시키거나, 2) 거대 입자의 개재를 수소, 질소, 탄화수소를 혼합한 원료가스 중의 탄화수소와 질소의 함량을 제어 하거나, 또는 3) 기판에 포지티브 바이어스를 인가하는 방법 (필라멘트에 대하여 기판이 전기적으로 양 (positive)의 포텐샬 (potential)을 갖도록 하는 방법)을 사용하는 것을 특징으로 한다.
1)의 방법에 따라, 예를 들어, 챔버 가스압이 15 torr (도 4a 참조), 30 torr (도 5a 참조), 50 torr (도 6a 참조), 100 torr (도 7a 참조)로 높아진 경우에는 이러한 거대 입자의 개재가 관찰되지 않는, 평균 입도 50 ㎚ 이하의 NCD 박막의 형성이 관찰된다. 이와 같이 챔버 가스압을 증가시키면 비정상 거대 입자의 개재가 방지될 뿐만 아니라, NCD 박막의 결정립 크기를 대폭 미세화하는 효과도 얻을 수 있다. 예를 들어, 챔버 가스압이 10 내지 50 torr인 경우에 비해 (도 3 내지 6 참조) 챔버 가스압이 100 torr인 경우 (도 7 참조)의 NCD 박막의 결정립 크기가 1/5 이하로 작아진다.
또한 2)의 방법에 따라, 수소, 질소 및 탄화수소를 혼합한 원료가스 중의 탄화수소와 질소의 함량을 제어하는 경우, 예를 들어, 10 torr 및 15 torr의 챔버 가스압에서, 원료가스의 조성이 3% 메탄-0.3% 질소-96.7% 수소인 경우에는 비정상 거대 입자의 개재가 발생하는 반면 (도 3a 및 4a 참조), 원료가스 조성이 5% 메탄-0.5% 질소- 94.5% 수소 또는 4% 메탄-0.3% 질소-95.7% 수소인 경우에는 10 torr 또는 15 torr의 챔버 가스압의 조건에서 거대 입자의 개재가 완전히 방지된다 (도 3c, 4c 및 8 참조). 이때 질소의 함량을 이보다 수 배 증가시키는 경우에도 미세조직은 크게 변화하지 않는다. 예를 들어, 30 torr의 챔버 가스압에서 3% 메탄-2% 질소-95% 수소의 원료가스를 사용한 경우 (도 9 참조)에는, 동일한 메탄 함량 및 챔 버 가스압 하에서 질소가 0.3% 첨가된 미세조직 (도 5a 참조)과 큰 차이를 보이지 않는다.
또한, 3)의 방법에 따르면, 포지티브 바이어스를 20 내지 150 V로 조절함으로써 거대 결정립의 개재를 억제될 뿐 아니라, 포지티브 바이어스는 이온에 비해 그 질량이 훨씬 작고, 따라서 충돌 에너지가 훨씬 작으며, 그에 따라 기판에 손상을 주지 않는다. 예를 들어, 3% 메탄-0.3% 질소-96.7% 수소 조성에서, 챔버 가스압이 10 torr 또는 15 torr인 경우 기판에 바이어스를 인가하지 않으면 거대 결정립의 개재가 심하게 발생하는 반면 (도 3a 및 4a 참조), 같은 조건에서 기판에 포지티브 바이어스를 인가하는 경우는 거대 결정립의 발달이 현격히 억제된다 (도 3b 및 4b 참조). 또한, 이와 같이 기판에 포지티브를 인가함에 따른 비정상 거대 결정립의 억제 효과는 챔버 가스압이 보다 높아지면 나타나지 않는다. 예를 들어, 30 torr와 50 torr의 챔버 가스압에서는 포지티브 바이어스를 기판에 인가해도 이러한 효과는 나타나지 않는다 (도 5b 및 6b). 또한, 5% 메탄-0.5% 질소-94.5% 수소의 조성에서는, 기판에 포지티브 바이어스를 인가함에 따라 결정립도의 미세화가 나타난다 (도 3c, 3d, 4c 및 4d 참조).
또한, 본 발명에 따르면, 상기와 같은 내재적 요인에 의한 비정상 거대 입자 (도 3a, 3b, 4a 및 4b)의 형태 및 존재 양상은 외재적 요인에 의한 비정상 거대 입자 (도 2b 및 2c)와 서로 확연히 구분된다. 즉, 외재적 요인에 의한 경우는 비정상 거대 결정립과 그것을 둘러싸고 있는 정상적인 나노 결정질 다이아몬드 결정립들 간의 구분이 뚜렷한 반면 (도 2b 및 2c), 내재적 요인에 의한 비정상 거대 결정립 (도 3a, 3b, 4a 및 4b)의 경우는 이러한 구분이 보다 모호하다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 한정하지는 않는다.
비교예 1
도 1의 기판 홀더 (3)에 4인치 실리콘 기판 (4)을 놓고 원료가스 (3% 메탄-0.3% 질소-96.7% 수소)를 주입시켰다. 이때, 챔버 가스압은 30 torr, 유속은 300 sccm으로 하였다. 필라멘트 (1)에 교류를 가해 열 필라멘트의 온도가 2,200 ℃가 되도록 한 후, 2시간 동안 증착시켜 NCD 박막을 제조하였다. 증착된 박막 중 각각 열전대로부터 먼 부위 및 열전대 인접부위의 미세구조를 SEM (Nova NanoSEM 200, FEI 사)을 이용하여 관찰하였으며, 그 결과를 각각 도 2a 내지 2c에 나타내었다.
도 2a에 나타난 바와 같이, 증착된 NCD 박막 중 열전대에서 먼 부위의 미세조직에는 수십 ㎚ 크기의 결정립이 균일하게 분포하는 반면, 도 2b 및 2c에 나타난 바와 같이, 열전대와 인접한 영역의 미세조직에는 수십 ㎚ 크기의 결정립과 함께 1 ㎛ 크기의 거대 결정립이 함께 섞여 있는 것이 관찰되었다.
따라서, 도 2b 및 2c에 나타난 바와 같은 거대 결정립의 개재는 증착영역 인근에 열전대가 노출됨에 따라 생성되는 것이며, 이러한 외재적 요인에 의한 거대 결정립의 개재를 방지하게 위해서는, 열전대를 증착영역으로부터 격리시켜야 함을 알 수 있다.
비교예 2 및 3
챔버 가스압을 각각 10 torr 및 15 torr로 낮춘 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 NCD 박막을 제조하였으며, 증착된 박막의 미세구조를 SEM으로 측정하여 각각 도 3a 및 4a에 나타내었다.
실시예 1 및 2
원료가스로서 5% 메탄-0.5% 질소-94.5% 수소의 혼합가스를 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 2 및 3과 동일한 방법으로 NCD 박막을 제조하였으며, 증착된 박막의 미세구조를 SEM으로 측정하여 각각 도 3c 및 4c에 나타내었다.
실시예 3 내지 6
30 내지 120 V의 바이어스를 인가한 것을 제외하고는 상기 비교예 2 및 3, 및 실시예 1 및 2와 동일한 방법으로 NCD 박막을 제조하였으며, 증착된 박막의 미세구조를 SEM으로 측정하여 각각 도 3b, 4b, 3d 및 4d에 나타내었다.
실시예 7 및 8
챔버 가스압을 30 torr로 높인 것을 제외하고는 상기 비교예 1 및 실시예 3과 동일한 방법으로 NCD 박막을 제조하였으며, 증착된 박막의 미세구조를 SEM으로 측정하여 각각 도 5a 및 5b에 나타내었다.
실시예 9 및 10
챔버 가스압을 50 torr로 높인 것을 제외하고는 상기 비교예 1 및 실시예 3과 동일한 방법으로 NCD 박막을 제조하였으며, 증착된 박막의 미세구조를 SEM으로 측정하여 각각 도 6a 및 6b에 나타내었다.
실시예 11 및 12
챔버 가스압을 100 torr로 높인 것을 제외하고는 상기 비교예 1 및 실시예 3과 동일한 방법으로 NCD 박막을 제조하였으며, 증착된 박막의 미세구조를 SEM으로 측정하여 각각 도 7a 및 7b에 나타내었다.
실시예 13
원료가스로서 4% 메탄-0.3% 질소-95.7% 수소의 혼합가스를 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 2와 동일한 방법으로 NCD 박막을 제조하였으며, 증착된 박막의 미세구조를 SEM으로 측정하여 도 8에 나타내었다.
비교예 4
원료가스로서 3% 메탄-2% 질소-95% 수소의 혼합가스를 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 NCD 박막을 제조하였으며, 증착된 박막의 미세구조를 SEM으로 측정하여 도 9에 나타내었다.
실시예 14
바이어스 전류를 4인치 기판에 대하여 대략 5.5 내지 10 A 구간에 오도록 하고, 이를 위하여 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 가스압에 따라 바이어스 전압을 증가시켰다.
그 결과, 도 3 및 4에 나타난 바와 같이, 챔버 가스압을 낮추면 거대 결정립의 개재가 증가하지만 (도 3a 및 4b), 동일한 가스압에서 원료가스 중의 메탄과 질소의 함량을 변화시키거나 (도 3c, 4c, 8) 포지티브 바이어스를 인가하면 (도 3b, 4b, 3d 및 4d) 거대 결정립의 개재가 감소하고 수십 ㎚ 크기의 결정립이 비교적 균일하게 분포하는 것을 확인하였다. 또한, 챔버 가스압을 높이면, 원료가스의 함량을 변화시키지 않더라도 거대 결정립의 개재가 관찰되지 않았으며 (도 5a, 5b, 6a 및 6b), 챔버 가스압을 높일수록 결정립의 크기가 작아짐을 알 수 있다 (도 5a, 6a 및 7a).
그러나, 동일한 메탄 함량 및 챔버 가스압 하에서는 질소의 함량에 따른 미세조직의 차이는 관찰되지 않았다 (도 5a 및 9).
따라서, 상기와 같은 내재적인 요인에 의한 거대 결정립의 개재를 방지하기 위해서는, 챔버 가스압의 압력 또는 원료가스 중의 메탄과 질소의 함량을 조절하거나 포지티브 바이어스를 인가해야 함을 알 수 있다.
도 1은 열 필라멘트 시브이디 (CVD) 장치의 증착영역 부위의 개략도이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
1: 필라멘트
2: 냉각 블록
3: 기판 홀더
4: 기판
5: 열전대
6: 열전대 보호용 세라믹 튜브
7: 열전대 말단
도 2는 열전대를 증착영역 주변에 접촉시킨 상태에서 4인치 실리콘 기판 위에 30 torr의 챔버 가스압, 및 3% 메탄-0.3% 질소-96.7% 수소 조성에서 2시간 동안 증착된 NCD 박막의 부위별 미세구조로서,
도 2a는 열전대와 멀리 떨어진 부위 (4인치 웨이퍼의 중앙부),
도 2b는 열전대와 인접한 부위, 및
도 2c는 열전대와 인접한 부위의 또 다른 예를 나타낸다.
도 3 및 4는 각각 10 torr 및 15 torr의 챔버 가스압에서 메탄-질소-수소 혼합가스를 원료가스로 사용하여 합성된 NCD 박막의 미세구조로서,
도 3a 및 4a는 기판 바이어스를 사용하지 않고, 3% 메탄-0.3% 질소-96.7% 수소 조성에서 증착한 경우이고,
도 3b 및 4b는 기판 바이어스를 사용하고, 3% 메탄-0.3% 질소-96.7% 수소 조성에서 증착한 경우이고,
도 3c 및 4c는 기판 바이어스를 사용하지 않고, 5% 메탄-0.5% 질소-94.5% 수소 조성에서 증착한 경우이며,
도 3d 및 4d는 기판 바이어스를 사용하고, 5% 메탄-0.5% 질소-94.5% 수소 조성에서 증착한 경우이다.
도 5 및 6은 각각 30 torr 및 50 torr의 챔버 가스압, 및 3% 메탄-0.3% 질소-96.7% 수소 조성에서 증착한 NCD 박막의 표면 미세구조로서,
도 5a 및 6a는 기판 바이어스를 사용하지 않은 경우이고,
도 5b 및 6b는 기판 바이어스를 사용한 경우이다.
도 7은 100 torr의 챔버 가스압 및 3% 메탄-0.3% 질소-96.7% 수소 조성에서 증착한 NCD 박막의 표면 미세구조로서,
도 7a는 기판 바이어스를 사용하지 않은 경우이고,
도 7b는 기판 바이어스를 사용한 경우이다.
도 8은 10 torr의 챔버 가스압 및 4% 메탄-0.3% 질소-95.7% 수소의 가스 조성에서 기판 바이어스를 사용하지 않고 증착한 NCD 박막의 표면 미세구조이다.
도 9는 30 torr의 챔버 가스압 및 3% 메탄-2% 질소-95% 수소의 가스 조성에서 기판 바이어스를 사용하지 않고 증착한 NCD 박막의 표면 미세구조이다.
Claims (9)
- 탄화수소-질소-수소의 혼합가스를 원료가스로 사용하는 열 필라멘트 시브이디 (hot filament CVD) 공정을 이용하여 나노 결정질 다이아몬드 박막 (NCD 박막)을 증착시키는 방법에 있어서, 1) 열전도도가 구리의 2 내지 4 배이면서도 증착 환경에서 불활성인 재료를 기판에 접촉시키고, 이를 기판으로부터 50 ㎜ 이상 떨어진 위치까지 확장시킨 후, 그 위치에서 열전대로 온도를 측정하는 방법, 2) 불활성이면서도 열전도도가 구리의 2 내지 4 배인 물질로 증착영역에 인접한 열전대 부위를 보호 피복하는 방법, 및 3) 열전대를 사용하지 않는 비접촉식 온도 측정 수단을 사용하는 방법으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는, NCD 박막 중의 비정상 거대 입자의 개재를 방지하는 방법.
- 탄화수소-질소-수소의 혼합가스를 원료가스로 사용하는 열 필라멘트 시브이디 공정을 이용하여 NCD 박막을 증착시키는 방법에 있어서, 1) 챔버 가스압이 10 내지 500 torr인 조건에서 실시하는 방법, 2) 수소, 질소, 탄화수소를 혼합한 원료가스 중의 탄화수소와 질소의 함량을 제어하는 방법, 및 3) 기판에 포지티브 바이어스 (positive bias)를 인가하는 방법으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 방법을 사용하고, 상기 원료가스가 1 내지 8 부피%의 탄화수소 또는 그와 동일한 양의 탄소를 포함하는 탄화수소, 및 0.1 내지 1.5 부피%의 질소를 포함하는 것을 특징으로 하는, NCD 박막 중의 비정상 거대 입자의 개재를 방지하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,1)의 방법에서, 열전도도가 구리의 2 내지 4 배이면서도 증착 환경에서 불활성인 재료가 다이아몬드 후막 스트립인 것을 특징으로 하는, NCD 박막 중의 비정상 거대 입자의 개재를 방지하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,2)의 방법에서, 불활성이면서도 열전도도가 구리의 2 내지 4 배인 물질이 다이아몬드 박막인 것을 특징으로 하는, NCD 박막 중의 비정상 거대 입자의 개재를 방지하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,비접촉식 온도 측정 수단이, 광학 온도계인 것을 특징으로 하는, NCD 박막 중의 비정상 거대 입자의 개재를 방지하는 방법.
- 제 2 항에 있어서,챔버 가스압이 10 내지 100 torr인 것을 특징으로 하는, NCD 박막 중의 비정상 거대 입자의 개재를 방지하는 방법.
- 삭제
- 제 2 항에 있어서,원료가스 중 탄화수소와 질소의 비율이 6:1 내지 15:1인 것을 특징으로 하는, NCD 박막 중의 비정상 거대 입자의 개재를 방지하는 방법.
- 제 2 항에 있어서,포지티브 바이어스가 20 내지 150 V의 범위인 것을 특징으로 하는, NCD 박막 중의 비정상 거대 입자의 개재를 방지하는 방법.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020070093541A KR100922543B1 (ko) | 2007-09-14 | 2007-09-14 | 나노 결정질 다이아몬드 박막 중의 비정상 거대 입자의개재를 방지하는 방법 |
| US11/931,963 US8034411B2 (en) | 2007-09-14 | 2007-10-31 | Method of preventing abnormal large grains from being included into thin nano-crystalline diamond film |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020070093541A KR100922543B1 (ko) | 2007-09-14 | 2007-09-14 | 나노 결정질 다이아몬드 박막 중의 비정상 거대 입자의개재를 방지하는 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20090028169A KR20090028169A (ko) | 2009-03-18 |
| KR100922543B1 true KR100922543B1 (ko) | 2009-10-21 |
Family
ID=40454782
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020070093541A KR100922543B1 (ko) | 2007-09-14 | 2007-09-14 | 나노 결정질 다이아몬드 박막 중의 비정상 거대 입자의개재를 방지하는 방법 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8034411B2 (ko) |
| KR (1) | KR100922543B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101391179B1 (ko) | 2012-10-05 | 2014-05-08 | 한국과학기술연구원 | 나노 결정질 다이아몬드를 이용한 감쇠전반사형 도파로 모드 공진 센서 및 나노 결정질 다이아몬드로 이루어진 도파로의 제조 방법 |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101427710B1 (ko) * | 2012-11-30 | 2014-08-13 | 한국과학기술연구원 | 기체로부터의 입자 합성을 이용한 다이아몬드 파우더의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 다이아몬드 파우더 |
| JP6027929B2 (ja) * | 2013-03-29 | 2016-11-16 | 大陽日酸株式会社 | 気相成長装置の調整方法 |
| CN106191806B (zh) * | 2016-07-14 | 2018-11-23 | 江南石墨烯研究院 | 一种高温压电传感器中石墨烯电极的制备方法 |
| CN111286718A (zh) * | 2020-03-20 | 2020-06-16 | 廊坊西波尔钻石技术有限公司 | 一种抗冲击cvd金刚石自支撑材料及制造方法 |
| CN113584578B (zh) * | 2021-07-16 | 2023-02-10 | 昆明物理研究所 | 用于垂直型分子束外延生长设备的薄膜材料生长用钼盘托 |
| CN115287624A (zh) * | 2022-08-29 | 2022-11-04 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于偏压和激光共同作用的制备碳基材料薄膜的技术 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20050047643A (ko) * | 2003-11-18 | 2005-05-23 | 프리시젼다이아몬드 주식회사 | 다이아몬드 막이 증착된 절삭공구 제조 방법 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1313890B1 (en) * | 2000-04-06 | 2006-10-11 | ASM America, Inc. | Barrier coating for vitreous materials |
| WO2004083484A1 (de) * | 2003-03-21 | 2004-09-30 | Cemecon Ag | Körper mit glatter diamantschicht, sowie vorrichtung und verfahren |
| US7947329B2 (en) * | 2006-09-11 | 2011-05-24 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Methods of applying a nanocrystalline diamond film to a cutting tool |
-
2007
- 2007-09-14 KR KR1020070093541A patent/KR100922543B1/ko not_active IP Right Cessation
- 2007-10-31 US US11/931,963 patent/US8034411B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20050047643A (ko) * | 2003-11-18 | 2005-05-23 | 프리시젼다이아몬드 주식회사 | 다이아몬드 막이 증착된 절삭공구 제조 방법 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 논문1:Journal of the Korean Ceramic Society* |
| 논문2:Diamond and Related Materials* |
| 논문3:Transactions of Nonferrous Metals Society of China |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101391179B1 (ko) | 2012-10-05 | 2014-05-08 | 한국과학기술연구원 | 나노 결정질 다이아몬드를 이용한 감쇠전반사형 도파로 모드 공진 센서 및 나노 결정질 다이아몬드로 이루어진 도파로의 제조 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20090028169A (ko) | 2009-03-18 |
| US8034411B2 (en) | 2011-10-11 |
| US20090074986A1 (en) | 2009-03-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100922543B1 (ko) | 나노 결정질 다이아몬드 박막 중의 비정상 거대 입자의개재를 방지하는 방법 | |
| JP5524213B2 (ja) | 調整可能な電気抵抗率を有するウェーハ処理装置 | |
| US5663865A (en) | Ceramic electrostatic chuck with built-in heater | |
| US4935303A (en) | Novel diamond-like carbon film and process for the production thereof | |
| US8211244B2 (en) | Tantalum carbide, method for producing tantalum carbide, tantalum carbide wiring and tantalum carbide electrode | |
| US10781102B2 (en) | Coating source for producing doped carbon layers | |
| US20080141938A1 (en) | Processing apparatus, coated article and method | |
| US5169676A (en) | Control of crystallite size in diamond film chemical vapor deposition | |
| Jang et al. | Thermophysical properties of porous SiC ceramics fabricated by pressureless sintering | |
| CA2152769C (en) | Synthesizing diamond film | |
| KR20070085946A (ko) | 캡슐화된 웨이퍼 처리 장치 및 그의 제조 방법 | |
| JPH11508963A (ja) | 電気的に調節可能な被覆 | |
| JPH11260534A (ja) | 加熱装置およびその製造方法 | |
| JP2012054586A (ja) | 低比誘電率ＳｉＯｘ膜の製造方法 | |
| CN103201235A (zh) | 静电卡盘 | |
| Haque et al. | Stability of electron field emission in Q-carbon | |
| EP2325348B1 (en) | Device and method for thermal evaporation of silicon | |
| US5800879A (en) | Deposition of high quality diamond film on refractory nitride | |
| JP3061755B2 (ja) | Ｃｖｄ装置用サセプタ及び高周波誘導加熱装置を有するｃｖｄ装置 | |
| KR101916238B1 (ko) | 진공 열처리 장치 | |
| JPH0465361A (ja) | 炭化珪素ヒーター及びその製造方法 | |
| KR100360281B1 (ko) | 다이아몬드 기상 합성 장치 및 이를 이용한 합성 방법 | |
| Lee et al. | Technology (KR) | |
| Timerkaev et al. | Electric arc synthesis of germanium nanotubes | |
| JP2002037669A (ja) | 炭化珪素材、耐プラズマ部材及び半導体製造用装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20121011 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20130930 Year of fee payment: 5 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |