KR100977171B1 - Method for growing a thin film diamond with carbon atomic beams - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소원자빔을 이용한 저온 저압 하에서 다이아몬드 박막형성방법에 관한 것이다. 본 발명은 다이아몬드구조로 반응할 수 있는 운동에너지를 갖는 탄소원자빔을 방출하는 단계; 상기 방출된 탄소원자빔을 전자빔과 충돌시켜 기판표면에 닿기 직전에 탄소원자의 전자배열구조가 sp2에서 sp3로 여기상태의 탄소원자구조로 변환하는 단계; 및 상기 변환된 여기상태의 탄소원자를 상기 기판상에 증착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명은 다양한 재질의 기판에 적용할 수 있고 고품질의 다이아몬드 박막을 성장시킬수 있는 효과를 제공한다.The present invention relates to a method for forming a diamond thin film under low temperature and low pressure using a carbon atom beam. The present invention comprises the steps of: emitting a carbon atom beam having kinetic energy capable of reacting with a diamond structure; Converting the electron array structure of the carbon atoms into an excited carbon atom structure from sp 2 to sp 3 immediately before reaching the surface of the substrate by colliding the emitted carbon atom beam with an electron beam; And depositing the converted excited carbon atoms on the substrate. Accordingly, the present invention can be applied to a substrate of various materials and provides an effect of growing a high quality diamond thin film.

다이아몬드박막, 박막형성 Diamond thin film formation

Description

탄소원자빔을 이용한 다이아몬드 박막형성방법{Method for growing a thin film diamond with carbon atomic beams} Method for growing a thin film diamond with carbon atomic beams}

본 발명은 탄소원자빔을 이용한 저온 저압 하에서 다이아몬드 박막형성방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for forming a diamond thin film under low temperature and low pressure using a carbon atom beam.

일반적으로, 다이아몬드를 합성하기 위해서는 수만기압과 천도이상의 고압고온이 필요하다는 것이 1950년 이후 초고압합성방식에 의해 인공적으로 다이아몬드의 합성이 구현되어 잘 알려져 있다. 즉, 흑연과 금속촉매의 혼합물을 2000K 부근의 온도에서 수 기압의 압력 하에 두었을 때 흑연이 다이아몬드로 변태하는 반응을 이용한 것이다. 그러나 이 방법은 장치가 고가이고 생산 단가가 높으며 합성된 다이아몬드는 수 밀리메터에서 수십 마이크로메터의 크기를 갖는 단결정 분말 형태로 제한된다는 단점이 있다. In general, it is well known that the synthesis of diamond is artificially implemented by the ultra-high pressure synthesis method since 1950, in order to synthesize the diamond, which requires high pressure and high temperature of tens of thousands of atmospheric pressure and more than one thousand degrees. In other words, when a mixture of graphite and a metal catalyst is placed under a pressure of several atmospheres at a temperature of about 2000 K, the reaction of transforming graphite into diamond is used. However, this method has the disadvantage that the apparatus is expensive, the production cost is high, and the synthesized diamond is limited to the form of single crystal powder having a size of several millimeters to several tens of micrometers.

이러한 단점을 극복하고자 화학기상증착(Chemical vapor deposition : 이하 CVD 라 함) 방법이 시도되었는데, 이 방법은 기체 상태의 전구체가 기판의 표면에 서 화학반응을 일으켜서 화학반응생성물이 고체표면에 고착되도록 하는 방법이다. In order to overcome this drawback, chemical vapor deposition (CVD) method has been attempted, which causes the gaseous precursor to chemically react on the surface of the substrate, causing the chemical reaction product to adhere to the solid surface. It is a way.

다이아몬드 박막을 위한 CVD방법은 모두 기체 상태인 탄소 함유 전구체분자의 분해 및 활성화가 필요하고, 이러한 방법으로 다이아몬드를 형성하기 위해서는 1000도 이상의 고온으로 기판온도가 유지되어야 한다. The CVD method for diamond thin films requires the decomposition and activation of all carbon-containing precursor molecules in a gaseous state, and the substrate temperature must be maintained at a high temperature of 1000 degrees or higher to form diamond in this manner.

즉, 탄소를 함유하고 있는 탄화수소 등의 기체와 수소를 혼합한 기체를 열이나 플라즈마를 이용해 기체 분자를 해리시켜 다이아몬드 합성에 적합한 기체종을 형성시킨다. 이렇게 만들어진 기체종을 800 - 1000도 정도의 고온 상태의 기판과 접촉을 통하여 활성화시켜 기판 상에 다이아몬드 결정이 형성되도록 하여 다이아몬드 박막을 성장시킨다. 즉, 결정 내에서 탄소원자가 sp3의 전자구조로 활성화되어야 다이아몬드 구조의 결정을 형성할 수 있기 때문이다. That is, a gas mixed with a gas such as a hydrocarbon containing carbon and hydrogen is used to dissociate gas molecules using heat or plasma to form a gas species suitable for diamond synthesis. The gas species thus produced is activated through contact with a substrate having a high temperature of about 800-1000 degrees to grow diamond films on the substrate. In other words, the carbon atom in the crystal must be activated by the electronic structure of sp 3 to form a diamond-shaped crystal.

여기서, 기체를 분해시키고 활성화시키기 위해서 사용하는 방법으로 열 필라멘트 CVD법, 마이크로파 플라즈마 CVD법, 아크젯트 플라즈마법, RF플라즈마 CVD법 등이 있는데 이러한 방법들에 의해 다이아몬드 박막을 얻기 위해서는 기판 온도를 800 - 1,000도까지 가열된 상태를 유지하여야 한다. Here, thermal filament CVD, microwave plasma CVD, arc jet plasma, RF plasma CVD, etc. are used to decompose and activate the gas. Maintain heating up to 1,000 degrees.

이와 같은 기존의 CVD 방법들에 의한 다이아몬드 박막 형성의 형성과정을 도 1을 참고하여 좀 더 상세히 설명한다. The formation process of the diamond thin film formation by the conventional CVD methods will be described in more detail with reference to FIG. 1.

도 1을 참고하면, 다이몬드 형성에 필요한 탄소원자를 공급하는 플라즈마 발생부가 상부에 위치하며 그 하부로 기판을 배치하되 기판의 하부에 기판을 가열할 수 있는 히터를 설치한다. 이때 히터는 기판의 가열온도를 1000도 정도로 가열할 수 있는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 1, a plasma generating unit for supplying carbon atoms necessary for diamond formation is positioned at an upper portion thereof, and a heater is disposed below the substrate to heat the substrate. At this time, the heater is preferably capable of heating the heating temperature of the substrate to about 1000 degrees.

도 1에서, 플라즈마 발생부으로부터 공급되는 탄소원자는 대부분 기저상태의 전자배열인 sp2의 구조를 갖고 있으며, 히터에 의해 가열되는 기판이 하부에 배치된다. 기판의 하부에는 히터를 두어 기판이 1000도 이상으로 가열되도록 한다. 이때, 플라즈마 발생부으로부터 공급된 탄소원자가 고온의 기판에 부딪쳐 sp2에서 일부가 sp3로 탄소원자의 전자배열 구조가 변하여 활성화되므로 다이아몬드박막을 기판위에 형성하도록 한다. In Fig. 1, the carbon atoms supplied from the plasma generating unit have a structure of sp 2 which is mostly an electron array in a ground state, and a substrate heated by a heater is disposed below. A heater is placed under the substrate so that the substrate is heated to 1000 degrees or more. At this time, since the carbon atoms supplied from the plasma generator hit the high temperature substrate and the electron array structure of the carbon atoms is changed from sp 2 to sp 3 , the diamond thin film is formed on the substrate.

이 방법으로 제조된 다이아몬드 박막은 절삭 공구 등 내마모 용도로 이용되고 있으며, 또한, 열전도도가 좋기 때문에 그 우수한 열전도 특성을 이용하여 반도체 소자에 코팅하여 흡열부(heat sink) 등으로 되는 등 다이아몬드의 우수한 성질을 이용하여 다양한 용도로 사용되고 있는 실정이다. The diamond thin film manufactured by this method is used for wear-resistance, such as a cutting tool, and because of its high thermal conductivity, the diamond thin film is coated on a semiconductor device using its excellent thermal conductivity properties to form a heat sink. It is a situation that is used for a variety of uses using excellent properties.

하지만, 이러한 CVD법으로 다이아몬드 박막을 합성할 때는 일반적으로 800~1,000℃의 기판 온도에서 행하기 때문에 Si, Mo 웨이퍼 등 고온에서 견디는 재료이외의 기판 사용이 매우 제한적이고, 모재의 특성이 저하되어 열팽창계수가 달라 모재와 다이아몬드박막간의 균열이 발생할 수 있는 등의 문제점이 있다.However, when the diamond thin film is synthesized by the CVD method, it is generally performed at a substrate temperature of 800 to 1,000 ° C. Therefore, it is very limited to use substrates other than materials that can withstand high temperatures such as Si and Mo wafers. Different coefficients have problems such as cracking between the base material and the diamond thin film.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 기판에 가해 주는 높은 공정 온도 대신에 여기상태의 탄소원자빔을 이용하여 저온 또는 상온의 공정온도를 유지하면서도 고품질의 다이아몬드 박막을 성장시킬 수 있는 탄소원자빔을 이용한 다이아몬드 박막형성방법을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to grow a high quality diamond thin film while maintaining a low or normal process temperature using a carbon atom beam in an excited state instead of a high process temperature applied to a substrate to solve the above problems. The present invention provides a diamond thin film forming method using a carbon atom beam.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다이아몬드 박막형성방법은 상부에는 탄소원자빔을 발생하기 위한 탄소원자빔 발생원과 하부에는 챔버의 내부로 기판을 탑재하고, 상기 탄소원자빔발생원과 기판의 사이에는 전자빔을 발생시키는 전자빔발생원과 상하부에 자기장을 발생하는 코일을 배치한 여기셀을 구비하여, 전자빔발생원으로부터 전자빔이 발생하면, 코일에 의해 자기장이 발생하여 자기장에 의해 전자빔은 전자빔발생원으로부터 전방위로 이동하여 기판에 다이아몬드 박막을 형성하는 방법에 있어서, 다이아몬드구조로 반응할 수 있는 운동에너지를 갖는 탄소원자빔을 방출하는 단계; 상기 방출된 탄소원자빔을 전자빔과 충돌시켜 기판표면에 닿기 직전에 탄소원자의 전자배열구조가 sp2에서 sp3로 여기상태의 탄소원자구조로 변환하는 단계; 및 상기 변환된 여기상태의 탄소원자를 상기 기판상에 증착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. Diamond thin film forming method according to the present invention for achieving the above object is a carbon atom beam generating source for generating a carbon atom beam in the upper and a substrate is mounted in the chamber in the lower, between the carbon atom beam generating source and the substrate Has an electron beam generating source for generating an electron beam and an excitation cell having a coil generating a magnetic field above and below. When an electron beam is generated from the electron beam generating source, a magnetic field is generated by the coil, and the magnetic beam is moved from the electron beam generating source by the magnetic field. 1. A method of forming a diamond thin film on a substrate, the method comprising: emitting a carbon atom beam having kinetic energy capable of reacting with a diamond structure; Converting the electron array structure of the carbon atoms into an excited carbon atom structure from sp 2 to sp 3 immediately before reaching the surface of the substrate by colliding the emitted carbon atom beam with an electron beam; And depositing the converted excited carbon atoms on the substrate.

또한, 탄소원자빔은 10 내지 30 eV의 운동에너지를 갖는 것을 특징으로 한다. In addition, the carbon atom beam is characterized by having a kinetic energy of 10 to 30 eV.

또한, 전자빔은 5 내지 10 eV의 에너지를 갖는 것을 특징으로 한다. In addition, the electron beam is characterized by having an energy of 5 to 10 eV.

또한, 변환하는 단계에는 발생된 전자빔을 자기장에 의해 이동 및 구속시켜 상기 탄소원자빔과의 충돌을 야기시키는 것을 특징으로 한다. In the converting step, the generated electron beam is moved and constrained by a magnetic field to cause a collision with the carbon atom beam.

또한, 증착하는 단계는 상온에서 500℃ 이하의 저온에서만 견디는 유리와 플라스틱을 포함하는 기판 사용이 가능한 것을 특징으로 한다. In addition, the step of depositing is characterized in that it is possible to use a substrate including glass and plastic that withstands only a low temperature of 500 ℃ or less at room temperature.

또한, 본 발명의 다이아몬드 박막형성방법은 상부에는 탄소원자빔을 발생하기 위한 탄소원자빔 발생원과 하부에는 챔버의 내부로 기판을 탑재하고, 상기 탄소원자빔발생원과 기판의 사이에는 광을 발생하는 광원을 구비하여, 광원으로부터 광이 기판쪽으로 출사되어 기판에 다이아몬드 박막을 형성하는 방법에 있어서, 다이아몬드구조로 반응할 수 있는 운동에너지를 갖는 탄소원자빔을 방출하는 단계; 상기 방출된 탄소원자빔과 광을 기판근처에서 충돌시켜 탄소원자의 전자배열구조가 sp2에서 sp3로 광여기상태의 탄소원자구조로 변환하는 단계; 및 상기 변환과 동시에 광여기상태의 탄소원자가 상기 기판상에 증착되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In the diamond thin film forming method of the present invention, a carbon atom beam generating source for generating a carbon atom beam at the upper part and a substrate are mounted in the chamber at the lower part, and a light source for generating light between the carbon atom beam generating source and the substrate. A method of forming a diamond thin film on a substrate by emitting light from a light source toward a substrate, the method comprising: emitting a carbon atom beam having kinetic energy capable of reacting with a diamond structure; Colliding the emitted carbon atom beam with light near a substrate to convert the electron array structure of the carbon atoms into a spontaneous carbon atom structure from sp 2 to sp 3 ; And simultaneously depositing carbon atoms in a photoexcitation state on the substrate.

또한, 탄소원자빔은 10 내지 30 eV의 운동에너지를 갖는 것을 특징으로 한다. In addition, the carbon atom beam is characterized by having a kinetic energy of 10 to 30 eV.

또한, 광은 8 내지 10 eV의 광에너지를 갖는 것을 특징으로 한다. In addition, the light is characterized by having a light energy of 8 to 10 eV.

또한, 증착하는 단계는 상온에서 500℃ 이하의 저온에서만 견디는 유리와 플라스틱을 포함하는 기판 사용이 가능한 것을 특징으로 한다. In addition, the step of depositing is characterized in that it is possible to use a substrate including glass and plastic that withstands only a low temperature of 500 ℃ or less at room temperature.

또한, 본 발명의 다이아몬드 박막 형성방법은 상부에는 탄소원자빔을 발생하기 위한 탄소원자빔 발생원과 하부에는 챔버의 내부로 기판을 탑재하고, 상기 탄소원자빔발생원과 기판의 사이에는 전자빔을 발생시키는 전자빔발생원과 광을 출사하는 광원을 구비하여, 전자빔발생원으로부터 전자빔과 광원을 발생시켜 기판에 다이아몬드 박막을 형성하는 방법에 있어서, 다이아몬드구조로 반응할 수 있는 운동에너지를 갖는 탄소원자빔을 방출하는 단계; 상기 방출된 탄소원자빔의 일부는 전자빔과 충돌시켜 여기상태의 탄소원자구조인 sp2에서 sp3로 변환하며, 상기 방출된 탄소원자빔 중 나머지는 광과 기판근처에서 충돌시켜 광여기상태의 탄소원자구조인 sp2에서 sp3로 변환하는 단계; 및 상기 변환된 여기상태의 탄소원자를 상기 기판상에 증착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, the diamond thin film forming method of the present invention has a carbon atom beam generating source for generating a carbon atom beam in the upper part and a substrate mounted inside the chamber in the lower part, and an electron beam generating an electron beam between the carbon atom beam generating source and the substrate. A method of forming a diamond thin film on a substrate by generating an electron beam and a light source from an electron beam source, comprising: generating a carbon atom beam having kinetic energy capable of reacting with a diamond structure; A part of the emitted carbon atom beam collides with an electron beam to convert sp 2 to sp 3 , which is an excited carbon atom structure, and the remaining carbon atom beam collides with light near a substrate to cause carbon in an optical excited state. Converting the atomic structure sp 2 to sp 3 ; And depositing the converted excited carbon atoms on the substrate.

또한, 탄소원자빔은 10 내지 30 eV의 운동에너지를 갖는 것을 특징으로 한다. In addition, the carbon atom beam is characterized by having a kinetic energy of 10 to 30 eV.

또한, 전자빔은 5 내지 10 eV의 에너지를 갖는 것을 특징으로 한다. In addition, the electron beam is characterized by having an energy of 5 to 10 eV.

또한, 광은 8 내지 10 eV의 광에너지를 갖는 것을 특징으로 한다. In addition, the light is characterized by having a light energy of 8 to 10 eV.

또한, 변환하는 단계에는 발생된 전자빔을 자기장에 의해 이동 및 구속시켜 상기 탄소원자빔과의 충돌을 야기시키는 것을 특징으로 한다. In the converting step, the generated electron beam is moved and constrained by a magnetic field to cause a collision with the carbon atom beam.

또한, 증착시키는 단계는 상온에서 500℃ 이하의 저온에서만 견디는 유리와 플라스틱을 포함하는 기판 사용이 가능한 것을 특징으로 한다. In addition, the step of depositing is characterized in that it is possible to use a substrate containing glass and plastic that withstands only a low temperature below 500 ℃ at room temperature.

또한, 본 발명은 다이아몬드 박막 형성방법은 상부에는 탄소원자빔을 발생하기 위한 탄소원자빔 발생원과 하부에는 챔버의 내부로 기판을 탑재하고, 상기 탄소원자빔발생원과 기판의 사이에는 탄소원자의 전자배열변환수단을 구비하여 기판에 다이아몬드 박막을 형성하는 방법에 있어서, 다이아몬드구조로 반응할 수 있는 운동에너지를 갖는 탄소원자빔을 방출하는 단계; 상기 방출된 탄소원자빔이 상기 탄소원자의 전자배열변환수단에 의해 탄소원자의 전자배열구조가 sp2에서 sp3로 여기상태의 탄소원자구조로 변환하는 단계; 및 상기 변환과 동시에 여기상태의 탄소원자가 상기 기판상에 증착되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, according to the present invention, the diamond thin film forming method includes a substrate having a carbon atom beam generating source for generating a carbon atom beam at an upper portion thereof and a substrate having a inside of a chamber at a lower portion thereof, and electron array conversion of carbon atoms between the carbon atom beam generating source and the substrate. CLAIMS 1. A method of forming a diamond film on a substrate with means, the method comprising: emitting a carbon atom beam having kinetic energy capable of reacting with a diamond structure; Converting the emitted carbon atom beam into a carbon atom structure in which an electron array structure of carbon atoms is excited from sp 2 to sp 3 by an electron array conversion means of the carbon atoms; And simultaneously depositing a carbon atom in an excited state on the substrate.

또한, 탄소원자빔은 10 내지 30 eV의 운동에너지를 갖는 것을 특징으로 한다. In addition, the carbon atom beam is characterized by having a kinetic energy of 10 to 30 eV.

또한, 증착시키는 단계는 상온에서 500℃ 이하의 저온에서만 견디는 유리와 플라스틱을 포함하는 기판 사용이 가능한 것을 특징으로 한다. In addition, the step of depositing is characterized in that it is possible to use a substrate containing glass and plastic that withstands only a low temperature below 500 ℃ at room temperature.

따라서, 본 발명의 방법은 고온의 기판이 필요 없이도 다이아몬드박막의 형성이 가능하므로 다양한 재질의 기판에 적용할 수 있고 기판의 변형도 막을 수 있어 고품질의 다이아몬드 박막을 성장시킬 수 있는 효과를 제공한다.Therefore, the method of the present invention can form a diamond thin film without the need for a high temperature substrate can be applied to a variety of substrates and can also prevent the deformation of the substrate to provide the effect of growing a high quality diamond thin film.

본 발명의 다이아몬드 박막형성방법은 다이아몬드 박막형성반응에 필요한 에너지를 갖고 있는 탄소원자빔을 기판에 출사하여 다이아몬드 박막을 형성하되, 반응에 참여하는 탄소원자가 기판에 도착하기 전에 미리 탄소원자의 전자배열 구조를 기판에서 다이아몬드 결정 형성이 쉽도록 sp2 구조에서 sp3 구조로 변경되도록 한 후 기판에 도달하도록 하는 것이다. 즉, 기존의 CVD 방법과는 달리 기판을 가열하여 반응원소에 필요한 에너지를 전달하는 것이 아니라 기판에 도달하기 전에 직접 반응원소에 운동에너지와 전자배열 구조의 변경(sp2 구조에서 sp3 구조)을 위한 여기에너지 형태로 에너지를 주는 것이다. The diamond thin film forming method of the present invention emits a carbon atom beam having energy necessary for the diamond thin film formation reaction on the substrate to form a diamond thin film, and before the carbon atoms participating in the reaction arrive at the substrate, the electron array structure of the carbon atoms is formed in advance. In order to facilitate the formation of diamond crystals on the substrate, it is necessary to change the sp 2 structure from the sp 3 structure and then reach the substrate. In other words, unlike the conventional CVD method, instead of heating the substrate to transfer the energy required for the reaction element, the kinetic energy and electron array structure change (sp 2 structure in the sp 2 structure) is directly applied to the reaction element before reaching the substrate. To give energy in the form of excitation energy for.

즉, 본 발명은 다이아몬드 결정 성장에 참여하는 탄소원자가 쉽게 다이아몬드 구조로 반응할 수 있도록 충분한 운동에너지를 갖도록 하고 전자빔 또는 광자빔을 이용하여 전자 배열이 다이아몬드 내의 탄소원자의 전자배열 구조와 같은 sp3 구조를 갖도록 하여 저온 하에서도 다이아몬드 박막의 성장이 용이하도록 하여 다이아몬드 박막의 특성을 개선할 수 있다. That is, according to the present invention, the carbon atoms participating in the diamond crystal growth have sufficient kinetic energy so that they can easily react with the diamond structure, and the electron arrangement using the electron beam or the photon beam has an sp 3 structure such as the electron arrangement structure of the carbon atoms in the diamond. By making it easy to grow the diamond thin film even at low temperatures, it is possible to improve the characteristics of the diamond thin film.

이하, 첨부한 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying Figures 2 to 4 will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다이아몬드 박막형성과정을 설명하기 위한 구성도이다. 2 is a block diagram illustrating a diamond thin film formation process according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참고하면, 상부에는 탄소원자빔(22)을 발생하기 위한 탄소원자빔 발 생원(21)을 배치하고, 하부에는 챔버(29)의 내부로 기판탑재대(26)의 상부에 기판(27)을 탑재한다. 또한, 탄소원자빔발생원(21)과 기판(27)의 사이에는 전자빔을 발생시키는 전자빔발생원(24)과 여기셀(23)을 구비한다. 여기셀(24)의 상하부에는 자기장을 발생시키는 코일(28)을 배치한다. 전자빔발생원(24)으로부터 전자빔이 발생하면, 코일(28)에 의해 자기장이 발생하여 자기장(20)에 의해 전자빔(25)은 전자빔발생원(24)으로부터 전방위로 이동한다. 여기서 여기셀(excitation cell : 23)은 자기장(20)에 의해 전자빔발생원(24)으로부터 발생된 전자빔(25)을 이동시키기 위한 챔버역활을 수행한다. Referring to FIG. 2, a carbon atom beam generating source 21 for generating a carbon atom beam 22 is disposed at an upper portion thereof, and a substrate (above the substrate mounting table 26 is disposed at an inside of the chamber 29 at a lower portion thereof. 27). An electron beam generation source 24 and an excitation cell 23 for generating an electron beam are provided between the carbon atom beam generation source 21 and the substrate 27. Coils 28 for generating a magnetic field are disposed above and below the excitation cell 24. When an electron beam is generated from the electron beam generation source 24, a magnetic field is generated by the coil 28, and the electron beam 25 is moved omnidirectionally from the electron beam generation source 24 by the magnetic field 20. Here, the excitation cell 23 serves as a chamber for moving the electron beam 25 generated from the electron beam source 24 by the magnetic field 20.

도 2에서, 탄소원자빔발생원(21)으로부터 방출된 탄소원자빔(22)은 여기셀(23)의 내부로 입사되어 전자빔발생원(24)에서 발생된 전자빔(25)과 충돌한다. 이때, 여기셀(23) 내부로 입사된 탄소원자빔(22)은 전자적으로 기저상태인 sp2의 전자배열 구조를 갖고 있으며 전자빔(25)과의 전자충돌에 의해 탄소원자를 여기시켜서 탄소원자빔의 전자배열이 여기상태인 sp3의 구조를 갖도록 변경된다. 이렇게 탄소원자의 배열이 변경된 후에 기판(27)표면에서 충분한 운동에너지를 갖고 있는 탄소원자들이 화학적으로 공유결합을 하게 되면 다이아몬드박막이 형성되는 것이다. In FIG. 2, the carbon atom beam 22 emitted from the carbon atom beam generation source 21 is incident into the excitation cell 23 and collides with the electron beam 25 generated from the electron beam generation source 24. At this time, the carbon atom beam 22 incident into the excitation cell 23 has an electron-array structure of sp 2 which is electronically grounded, and excites carbon atoms by electron collision with the electron beam 25 to excite the carbon atom beam. The electron array is changed to have a structure of sp 3 in an excited state. After the arrangement of the carbon atoms is changed, when the carbon atoms having sufficient kinetic energy on the surface of the substrate 27 are chemically covalently bonded, a diamond thin film is formed.

여기서 탄소원자빔의 운동에너지는 1 ~ 100 eV 범위에 있으며, 바람직하게는 10 ~ 30 eV 이다. 전자배열 구조가 sp2에서 sp3로 여기시키기 위해서 필요한 전자빔 에너지는 5 ~ 10 eV 범위에 있어야 한다. 이 범위 보다 작으면 에너지가 너무 작아 sp2에서 sp3로 여기시키기지 못하며, 이 범위 보다 크면 sp3보다 더 높은 여기상태로 되기 때문에 적당하지 않다.Here, the kinetic energy of the carbon atom beam is in the range of 1 to 100 eV, preferably 10 to 30 eV. The electron beam energy required for the electron array structure to excite from sp 2 to sp 3 must be in the range of 5 to 10 eV. If it is smaller than this range, the energy is too small to excite from sp 2 to sp 3 , and if it is larger than this range, it is not suitable because it is higher than sp 3 .

전술한 전자빔원은 독립적인 전자빔원을 사용할 수도 있으며, 탄소원자빔발생원(21)내의 플라즈마에 다이아몬드 박막 성장에 필요한 에너지를 갖고 있는 전자를 발생할 수 있는 원소를 섞어주어 탄소원자빔 인출과 동시에 필요한 전자도 발생시켜 여기상태의 탄소원자빔을 만드는 방법도 가능함은 물론이다.The above-described electron beam source may be used as an independent electron beam source, and the electrons required at the same time as the carbon atom beam withdrawal by mixing an element capable of generating electrons having energy necessary for diamond thin film growth with the plasma in the carbon atom beam generating source 21 Of course, it is also possible to produce a carbon atom beam in an excited state by generating.

또한, 상기 전자빔발생원을 탄소원자빔 발생원 내부에 배치하는 것도 가능하다. It is also possible to arrange the electron beam generating source inside the carbon atom beam generating source.

따라서, 기판(27)의 온도는 상온이어도 상관이 없고 이미 기판에 도달하기 이전에 탄소원자빔이 전자빔(25)과 충돌하면서 전자여기가 일어나 탄소원자의 전자배열은 다이아몬드 결정구조를 이루는데 적합한 전자배열(sp3)로 변경되므로 저온에서도 기판(27)상에 다이아몬드박막을 형성할 수 있다. 따라서, 저온에서만 견디는 유리 및 플라스틱기판의 사용이 가능하다. Therefore, the temperature of the substrate 27 may be room temperature, and the electron atom is generated when the carbon atom beam collides with the electron beam 25 before reaching the substrate, and the electron arrangement of the carbon atoms is suitable for forming a diamond crystal structure. Since it is changed to (sp 3 ), it is possible to form a diamond thin film on the substrate 27 even at a low temperature. Therefore, it is possible to use glass and plastic substrates that withstand low temperatures only.

여기서 기판 온도는 500 ℃ 이하의 저온이며, 바람직하게 유리와 플라스틱의 변형이 생기지 않고 기판상에서 활성화된 탄소원자가 다이아몬드 결정을 이루는 데 필요한 에너지를 얻을 수 있는 최소 온도이며 탄소원자빔의 운동에너지가 10 ~ 30 eV로 기판에 내려올 경우에 바람직한 온도는 100 ℃ ~ 300 ℃ 이다.Here, the substrate temperature is a low temperature of 500 ℃ or less, preferably the minimum temperature at which the carbon atoms activated on the substrate can obtain the energy necessary to form diamond crystals without deformation of glass and plastic, and the kinetic energy of the carbon atom beam is 10 ~ When it descends to a board | substrate at 30 eV, preferable temperature is 100 degreeC-300 degreeC.

도 3은 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 다이아몬드박막 형성과정을 설명하기 위한 구성도이다. 3 is a configuration diagram illustrating a diamond thin film formation process for explaining another embodiment of the present invention.

도 3은 도 2실시예에서 설명한 전자빔에 의한 전자여기가 아닌 광원에 의한 광여기를 이용하여 탄소원자의 전자배열을 기판에 도달하기 전에 다이아몬드 결정 구조에 적합한 배열로 변경하고자 하는 일예이다. FIG. 3 illustrates an example in which the electron arrangement of carbon atoms is changed to an arrangement suitable for diamond crystal structure before reaching the substrate by using light excitation by a light source rather than electron excitation by the electron beam described in FIG. 2.

도 3을 참고하면, 탄소원자빔발생원(21)과 기판(27)의 사이에 광을 출사하는 광원(31)을 배치한다. 광원(31)에서 출사하는 광은 탄소원자를 광여기시키기 위한 적당한 파장의 광을 선택하여 사용할 수 있다. Referring to FIG. 3, a light source 31 for emitting light is disposed between the carbon atom beam generating source 21 and the substrate 27. The light emitted from the light source 31 can select and use light of a suitable wavelength for photoexciting a carbon atom.

마찬가지로, 탄소원자빔발생원(21)으로부터 방출된 탄소원자빔(22)과 함께 광원(31)으로부터 출사된 광이 동시에 기판(27)상에 입사하기 바로 직전에 충돌에 의해 광여기가 발생한다. 이때, 탄소원자빔(22)의 탄소원자는 전자적으로 기저상태인 sp2의 전자배열 구조를 갖고 있으며 광과의 충돌에 의해 탄소원자를 광여기시켜서 탄소원자의 전자배열이 여기상태인 sp3의 구조를 갖도록 변경된다. 이렇게 기판(27)상에 도달한 탄소원자빔은 광에 의해 광여기된 탄소원자의 전자배열이 다이아몬드 결정 구조에 적합한 배열(sp3)로 변경되어 있으므로 다이아몬드박막이 형성되는 것이다.Similarly, light excitation is generated by the collision just before the light emitted from the light source 31 together with the carbon atom beam 22 emitted from the carbon atom beam generation source 21 is incident on the substrate 27 at the same time. At this time, the carbon atoms of the carbon atom beam 22 have an electron arrangement structure of sp 2 which is electronically grounded, and photo-excited carbon atoms by collision with light so that the electron arrangement of carbon atoms has a structure of sp 3 excited state. Is changed. The carbon atom beam thus reached on the substrate 27 has a diamond film formed because the electron arrangement of the carbon atoms photoexcited by light is changed to an arrangement (sp 3 ) suitable for the diamond crystal structure.

이 때 사용되는 광에너지는 전자배열구조가 sp2에서 sp3로 광흡수가 최대가 되도록 공명(resonance) 광흡수에 의한 광여기가 일어나는 8 ~ 10 eV 가 적당하다. 이 에너지 보다 작으면 광흡수가 일어나지 않고, 크면 흡수되지 않거나 더 높은 여기상태의 다른 전자배열로 되거나 이온화 되어 버린다. In this case, the light energy used is 8 to 10 eV in which the excitation of light due to resonance light absorption is appropriate so that the electron array structure has the maximum light absorption from sp 2 to sp 3 . If less than this energy, light absorption does not occur, and if it is large, it is not absorbed or becomes another electron array of a higher excited state or becomes ionized.

전술한 광원은 독립적인 광원을 사용할 수도 있으며, 탄소원자빔발생원(21)내의 플라즈마에 다이아몬드 박막 성장에 필요한 파장에 해당하는 광자를 발생할 수 있는 원소를 섞어주어 탄소원자빔 인출과 동시에 필요한 광자도 발생시켜 여기상태의 탄소원자빔을 만드는 방법도 가능함은 물론이다. The above-described light source may use an independent light source, and mix the elements capable of generating photons corresponding to the wavelength required for diamond thin film growth to the plasma in the carbon atom beam generating source 21 to generate carbon atom beams and generate photons at the same time. Of course, it is also possible to make a carbon atom beam in an excited state.

또한, 상기 광원을 탄소원자빔 발생원 내부에 배치하는 것도 가능하다. It is also possible to arrange the light source inside the carbon atom beam generating source.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 다이아몬드박막 형성과정을 설명하기 위한 구성도이다.Figure 4 is a block diagram illustrating a diamond thin film formation process for explaining another embodiment of the present invention.

도 4는 전자빔과 광원을 동시에 사용하여 다이아몬드박막을 형성하는 일예로 설명한다. 4 illustrates an example of forming a diamond thin film using an electron beam and a light source at the same time.

도 4를 참고하면, 탄소원자빔발생원(21)과 기판(27)의 사이로 전자빔발생원(24)과 광원(31)을 배치한다. 탄소원자빔발생원(21)으로부터 탄소원자빔(22)이 방출되면 여기셀(23)로 입사되는 탄소원자빔은 전자빔(25)과 충돌하여 전자여기상태로 기판(27)에 증착되거나, 광과의 충돌에 의한 광여기상태로 기판(27)에 증착된다. 따라서, 탄소원자는 동시에 전자여기와 광여기를 통하여 더 효율적으로 기판(27)상에 다이아몬드박막을 형성할 수도 있다. Referring to FIG. 4, the electron beam generation source 24 and the light source 31 are disposed between the carbon atom beam generation source 21 and the substrate 27. When the carbon atom beam 22 is emitted from the carbon atom beam generation source 21, the carbon atom beam incident on the excitation cell 23 collides with the electron beam 25 and is deposited on the substrate 27 in an electron excited state, or with light. It is deposited on the substrate 27 in a light excited state by the collision of. Therefore, the carbon atoms may simultaneously form the diamond thin film on the substrate 27 through the electron excitation and the photo excitation.

도 1은 일반적인 CVD 다이아몬드 박막 형성과정을 설명하기 위한 구성도, 1 is a configuration diagram illustrating a general CVD diamond thin film formation process;

도 2는 본 발명의 일실시예를 설명하기 위한 다이아몬드박막 형성과정을 설명하기 위한 구성도,2 is a configuration diagram for explaining a diamond thin film formation process for explaining an embodiment of the present invention,

도 3은 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 다이아몬드박막 형성과정을 설명하기 위한 구성도,3 is a configuration diagram for explaining a diamond thin film formation process for explaining another embodiment of the present invention;

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 다이아몬드박막 형성과정을 설명하기 위한 구성도.Figure 4 is a block diagram for explaining a diamond film formation process for explaining another embodiment of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS

21 : 탄소원자빔발생원 22 : 탄소원자빔21: carbon atom beam generator 22: carbon atom beam

23 : 여기셀 24 : 전자빔발생원23: excitation cell 24: electron beam generation source

25 : 전자빔 26 : 기판탑재대25 electron beam 26 substrate mounting stage

27 : 기판 28 : 코일27: substrate 28: coil

29 : 챔버 31 : 광원29 chamber 31 light source

Claims (18)

상부에는 탄소원자빔을 발생하기 위한 탄소원자빔 발생원과 하부에는 챔버의 내부로 기판을 탑재하고, 상기 탄소원자빔발생원과 기판의 사이에는 전자빔을 발생시키는 전자빔발생원과 상하부에 자기장을 발생하는 코일을 배치한 여기셀을 구비하여, 전자빔발생원으로부터 전자빔이 발생하면, 코일에 의해 자기장이 발생하여 자기장에 의해 전자빔은 전자빔발생원으로부터 전방위로 이동하여 기판에 다이아몬드 박막을 형성하는 방법에 있어서, A carbon atom beam generating source for generating a carbon atom beam at the upper part and a substrate mounted inside the chamber at the lower part, and an electron beam generating source for generating an electron beam between the carbon atom beam generating source and the substrate and a coil generating a magnetic field at the upper and lower parts thereof; In the method of having an excitation cell arranged, when an electron beam is generated from an electron beam generating source, a magnetic field is generated by a coil, and the electron beam is moved all the way from the electron beam generating source by the magnetic field to form a diamond thin film on the substrate. 다이아몬드구조로 반응할 수 있는 운동에너지를 갖는 탄소원자빔을 방출하는 단계;Emitting a carbon atom beam having kinetic energy capable of reacting with a diamond structure; 상기 방출된 탄소원자빔을 전자빔과 충돌시켜 기판표면에 닿기 직전에 탄소원자의 전자배열구조가 sp2에서 sp3로 여기상태의 탄소원자구조로 변환하는 단계; 및Converting the electron array structure of the carbon atoms into an excited carbon atom structure from sp 2 to sp 3 immediately before reaching the surface of the substrate by colliding the emitted carbon atom beam with an electron beam; And 상기 변환된 여기상태의 탄소원자를 상기 기판상에 증착시키는 단계를 포함하고,Depositing the converted excited carbon atoms on the substrate; 상기 탄소원자빔은 10 내지 30 eV의 운동에너지를 갖고, The carbon atom beam has a kinetic energy of 10 to 30 eV, 상기 전자빔은 5 내지 10 eV의 에너지를 갖는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막 형성방법. The electron beam has a energy of 5 to 10 eV diamond thin film forming method, characterized in that. 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 변환하는 단계에는 The converting step 발생된 전자빔을 자기장에 의해 이동 및 구속시켜 상기 탄소원자빔과의 충돌을 야기시키는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막 형성방법. The method of claim 1, wherein the generated electron beam is moved and constrained by a magnetic field to cause collision with the carbon atom beam. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 증착하는 단계는 The depositing step 상온에서 500℃ 이하의 저온에서만 견디는 유리와 플라스틱을 포함하는 기판 사용이 가능한 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막 형성방법. Method for forming a diamond thin film, characterized in that it is possible to use a substrate containing glass and plastic that can withstand only a low temperature below 500 ℃ at room temperature. 상부에는 탄소원자빔을 발생하기 위한 탄소원자빔 발생원과 하부에는 챔버의 내부로 기판을 탑재하고, 상기 탄소원자빔발생원과 기판의 사이에는 광을 발생하는 광원을 구비하여, 광원으로부터 광이 기판쪽으로 출사되어 기판에 다이아몬드 박막을 형성하는 방법에 있어서, A carbon atom beam generating source for generating a carbon atom beam at the upper part and a substrate are mounted in the chamber at the lower part, and a light source for generating light is provided between the carbon atom beam generating source and the substrate, so that light from the light source is directed toward the substrate. In the method of exiting and forming a diamond thin film on a substrate, 다이아몬드구조로 반응할 수 있는 운동에너지를 갖는 탄소원자빔을 방출하는 단계;Emitting a carbon atom beam having kinetic energy capable of reacting with a diamond structure; 상기 방출된 탄소원자빔과 광을 기판근처에서 충돌시켜 탄소원자의 전자배열구조가 sp2에서 sp3로 광여기상태의 탄소원자구조로 변환하는 단계; 및Colliding the emitted carbon atom beam with light near a substrate to convert the electron array structure of the carbon atoms into a spontaneous carbon atom structure from sp 2 to sp 3 ; And 상기 변환과 동시에 광여기상태의 탄소원자가 상기 기판상에 증착되는 단계를 포함하고,Simultaneously depositing a carbon atom in a photoexcited state on the substrate, 상기 탄소원자빔은 10 내지 30 eV의 운동에너지를 갖고,The carbon atom beam has a kinetic energy of 10 to 30 eV, 상기 광은 8 내지 10 eV의 광에너지를 갖는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막 형성방법. The light is diamond film forming method, characterized in that having a light energy of 8 to 10 eV. 삭제delete 삭제delete 제 6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 증착하는 단계는 The depositing step 상온에서 500℃ 이하의 저온에서만 견디는 유리와 플라스틱을 포함하는 기판 사용이 가능한 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막 형성방법. Method for forming a diamond thin film, characterized in that it is possible to use a substrate containing glass and plastic that can withstand only a low temperature below 500 ℃ at room temperature. 상부에는 탄소원자빔을 발생하기 위한 탄소원자빔 발생원과 하부에는 챔버의 내부로 기판을 탑재하고, 상기 탄소원자빔발생원과 기판의 사이에는 전자빔을 발생시키는 전자빔발생원과 광을 출사하는 광원을 구비하여, 전자빔발생원으로부터 전자빔과 광원을 발생시켜 기판에 다이아몬드 박막을 형성하는 방법에 있어서, A carbon atom beam generating source for generating a carbon atom beam in the upper part and a substrate mounted in the chamber in the lower part, and an electron beam generating source for generating an electron beam and a light source for emitting light between the carbon atom beam generating source and the substrate; A method of forming a diamond thin film on a substrate by generating an electron beam and a light source from an electron beam source, 다이아몬드구조로 반응할 수 있는 운동에너지를 갖는 탄소원자빔을 방출하는 단계;Emitting a carbon atom beam having kinetic energy capable of reacting with a diamond structure; 상기 방출된 탄소원자빔의 일부는 전자빔과 충돌시켜 여기상태의 탄소원자구조인 sp2에서 sp3로 변환하며, 상기 방출된 탄소원자빔 중 나머지는 광과 기판근처에서 충돌시켜 광여기상태의 탄소원자구조인 sp2에서 sp3로 변환하는 단계; 및A part of the emitted carbon atom beam collides with an electron beam to convert sp 2 to sp 3 , which is an excited carbon atom structure, and the remaining carbon atom beam collides with light near a substrate to cause carbon in an optical excited state. Converting the atomic structure sp 2 to sp 3 ; And 상기 변환된 여기상태의 탄소원자를 상기 기판상에 증착시키는 단계를 포함하고,Depositing the converted excited carbon atoms on the substrate; 상기 탄소원자빔은The carbon atom beam is 10 내지 30 eV의 운동에너지를 갖고,Has a kinetic energy of 10 to 30 eV, 상기 전자빔은The electron beam 5 내지 10 eV의 에너지를 갖고,Has an energy of 5 to 10 eV, 상기 광은The light is 8 내지 10 eV의 광에너지를 갖는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막 형성방법. Method of forming a diamond thin film, characterized in that it has a light energy of 8 to 10 eV. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 변환하는 단계에는 The converting step 발생된 전자빔을 자기장에 의해 이동 및 구속시켜 상기 탄소원자빔과의 충돌을 야기시키는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막 형성방법.The method of claim 1, wherein the generated electron beam is moved and constrained by a magnetic field to cause collision with the carbon atom beam. 제 10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 증착시키는 단계는The depositing step 상온에서 500℃ 이하의 저온에서만 견디는 유리와 플라스틱을 포함하는 기판 사용이 가능한 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막 형성방법. Method for forming a diamond thin film, characterized in that it is possible to use a substrate containing glass and plastic that can withstand only a low temperature below 500 ℃ at room temperature. 상부에는 탄소원자빔을 발생하기 위한 탄소원자빔 발생원과 하부에는 챔버의 내부로 기판을 탑재하고, 상기 탄소원자빔발생원과 기판의 사이에는 탄소원자의 전자배열변환수단을 구비하여 기판에 다이아몬드 박막을 형성하는 방법에 있어서, A carbon atom beam generating source for generating a carbon atom beam at the upper part and a substrate are mounted in the chamber at the lower part, and an electron array conversion means of carbon atoms is provided between the carbon atom beam generating source and the substrate to form a diamond thin film on the substrate. In the way, 다이아몬드구조로 반응할 수 있는 운동에너지를 갖는 탄소원자빔을 방출하는 단계;Emitting a carbon atom beam having kinetic energy capable of reacting with a diamond structure; 상기 방출된 탄소원자빔이 상기 탄소원자의 전자배열변환수단에 의해 탄소원자의 전자배열구조가 sp2에서 sp3로 여기상태의 탄소원자구조로 변환하는 단계; 및Converting the emitted carbon atom beam into a carbon atom structure in which an electron array structure of carbon atoms is excited from sp 2 to sp 3 by an electron array conversion means of the carbon atoms; And 상기 변환과 동시에 여기상태의 탄소원자가 상기 기판상에 증착되는 단계를 포함하고,Simultaneously depositing a carbon atom in an excited state on the substrate, 상기 탄소원자빔은The carbon atom beam is 10 내지 30 eV의 운동에너지를 갖고,Has a kinetic energy of 10 to 30 eV, 상기 탄소원자의 전자배열변환수단에 의해 상기 탄소원자빔에 부여되는 에너지는 5 내지 10 eV 인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막 형성방법. And the energy imparted to the carbon atom beam by the electron array converting means of the carbon atoms is 5 to 10 eV. 삭제delete 제 16항에 있어서, The method of claim 16, 상기 증착시키는 단계는The depositing step 상온에서 500℃ 이하의 저온에서만 견디는 유리와 플라스틱을 포함하는 기판 사용이 가능한 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막 형성방법. Method for forming a diamond thin film, characterized in that it is possible to use a substrate containing glass and plastic that can withstand only a low temperature below 500 ℃ at room temperature.
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