KR19980018299A - 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법 - Google Patents

다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법에 관한 것으로서, 본 발명의 디이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법에 따르면, 실리콘 기판의 표면을 탄화시키는 단계, 탄화된 실리콘의 표면에 다이아몬드 핵을 생성하는 단계, 상기 다이아몬드 핵을 성장시키는 단계가 그 순서대로 이루어 지며, 상기 다이아몬드의 핵생성단계에서 수소 가스 및 수소 가스와 탄소 함유 가스가 혼합된 혼합가스를 일정시간을 주기로 순차적으로 반복 주입시키는 싸이클릭방법을 적용시킴으로써 실리콘 기판 위의 다이아몬드 증착면적을 획기적으로 확대시킬 수 있고, 한편, 상기 수소 가스를 수소 플라즈마 상태로 만들어 상기 수소 플라즈마 상태로 유지되는 시간인 에칭시간과 상기 혼합가스를 혼합 플라즈마 상태로 만들어 상기 혼합 플라즈마 상태로 유지되는 시간인 성장시간을 특정관계로 설정하여 다이아몬드의 핵 생성밀도, 다이아몬드 박막의 입자 크기 및 기판에 대한 다이아몬드 박막의 평행자세정도를 증가시킬수 있다.

Description

다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법
본 발명은 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법에 관
한 것으로서, 특히 다이아몬드 박막의 핵 생성밀도의 향상과 다이아몬드 증착면적을 증가 시킬 수 있는 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법에 관한 것이다.
다이아몬드(diamond) 박막을 이용하여 전자소자(elctronic device)를 제조하기 위해서는 우선 양질의 다이아몬드 박막과 함께 에피텍시(epitaxy)에 의한 다이아몬드 박막의 성장법이 무엇보다도 중요한데, 일반적으로 다이아몬드 에피텍시 성장기술은 다이아몬드 기판 위에 다이아몬드 박막을 증착하는 기술인 호모 에피텍시(homo epitaxy) 성장법과 다이아몬드 이외의 이종인 기판 위에 다이아몬드 박막을증착하는 기술인 헤테로 에피텍시(hetero epitaxy) 성장법이 있다.
일반적으로 다이아몬드 기판은 가격면에서 매우 불리함으로 가격면에서 유리하고 이미 그 제조기술이 보편화 되어 있는 실리콘 기판을 사용하여 헤테로 에피텍시 성장법을 적용하여 상업적으로 이용 가능한 다이아몬드 박막을 얻고 있다. 이러한 헤테로 에피텍시 성장법에 의한 다이아몬드 박막을 성장시키는 방법의 하나인 종래의 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 텍스쳐 성장(texture growth) 법은 다이아몬드의 결정면중 표면의 거칠기가 가장 양호한 {100}면이 실리콘(Si) 기판의 증착면({100}면)과 적합성을 갖고 면의 한쪽 방향으로 방향성을 가지고 성장하게끔 하는 기술(K. Kobashi N. Nishimura, Y. Kawate, and T. Horiuchi, Phys. Rev., B,38, 4097(1988) 참조)이다.
이하 종래의 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 텍스쳐 성장법(B.R. Stoner, S.R. Sahaida, J.P. Bade, P. Southworth, and P.J. Ellis, J. Master. Res., 8, 1334(1993) 참조)을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 가스공급수단이 결합된 MPECVD(microwave plasma enhanced chemical vapor deposition)장치를 나타내는 구성도이다.
먼저 도 1에 도시된 MPECVD 장치에 대해 설명한다.
성장챔버(1)의 내측 하부에 금속성 홀더(holder), 예를 들어 스테인레스 지지대(2)가 수직으로 설치되어 있고, 그 상단에 석영 플레이트(5) 설치되어 있는 그래파이트 서셉터(graphite susceptor)가 설치되어 있다. 상기 스테인레스 튜브(2)의 내부에는 상기석영기판(5)을 관통하는 온도측정기(3)가 설치되어 있다. 상기 석영플레이트(5)의 위에는 기판(7)을 탑재하는 몰레브덴 등의 금속으로 된 기판홀더(6)가 설치되어 있다. 성장챔버(1)의 상부에 마이크로웨이브(microwave)(9)가 통과하는 석영 윈도우(quartz window, 8)와, 수소 가스와 탄소 함유 가스를 공급할 수 있도록 결합된 가스공급수단(11)이 결합되어 있다. 여기서 가스공급수단(11)은 성장챔버(1)내부에 수소 가스와 메탄 가스를 공급하기 위해 성장챔버(1) 상부에 제1파이프라인(12)을 구비한다. 제1파이프라인(12)은 제2파이프라인(13)과 제3파이프라인(14)에 연결된다. 제2파이프라인(13) 및 제3파이프라인(14)은 각각 수소 가스 봄베(bombe, 17) 및 메탄 가스 봄베(18)에 결합되고, 제2파이프라인(13)과 제3파이프라인(14) 중간에 상기 수소 가스와 메탄 가스의 유량을 조절하기 위하여 각각 제2밸브(15)와 제3밸브(16)가 결합된다. 또한 제3밸브(16)와 메탄 가스 봄베(18)를 연결하는 제3파이프라인(14) 중간에 연결된 제4파이프라인(19)에 제1밸브(20)가 결합된다. 그리고 제4파이프라인(19) 끝에는 가스 배출펌프(21)가 결합된다. 또한 성장챔버(1)의 하단에는 가스의 흡입/배출을 위한 가스출입구(22)가 설치되어 있다.
이하 종래의 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 성장법은 다음과 같다.
1) 몰리브덴 기판홀더(6) 상부에 기판(7)을 설치한다.
2) 다음, 반응 초기에 수소 가스 분위기하에서 기판(7)을 가열시켜 기판(7) 표면의 불순물을 제거시킨다.
3) 외부의 기계적 펌프를 상기 가스출입구(22)에 결합하여 성장챔버(1)의 내
부 압력을 일정한 범위로 유지시킨다.
4) 탄화단계(carburization step)로 성장챔버(1) 내부에 탄소 함유 가스와
수소 가스를 주입시켜 기판(7) 표면에 플라즈마를 형성시킨다.
5) 핵생성단계(nucleation step)로 기판(7) 표면에 다이아몬드 핵을 생성시키기 위해 기판(7)에 소정의 바이어스 전압을 인가하면서 가스공급수단(11)에 의해 성장챔버(1) 내부에 상기 수소 가스와 상기 탄소 함유 가스가 혼합된 혼합가스를 성장챔버(1)내에 일정시간 동안 주입시켜, 상기 혼합가스를 혼합 플라즈마 상태로 만든다.
6) 성장단계(growth step)로 성장챔버(1)내의 온도, 압력 및 탄소 함유 가스 농도의 변수들을 적절히 조절하여 기판(7) 표면의 면 방향이 다이아몬드 입자의 가장 빠른 성장 방향이 되도록 성장시킨다. 이로써 기판(7) 위의 다이아몬드 박막의 성장은 완료된다.
상기와 같은 종래의 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 텍스쳐 성장법은 다이아몬드 박막의 핵생성 밀도(grain density), 증착된 핵(textured grain)의 면적 및 기판(7)과 다이아몬드 박막과의 평행 자세(orientation)정도를 향상시키는데는 공정상 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선코자 안출된 것으로서, 종래 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 성장법의 공정단계 중, 핵생성단계에서 싸이클릭 과정을 도입하고 또한 싸이클릭 프로세스 단계의 에칭시간과 성장시간을 특정한 관계로 설정함으로써 다이아몬드 박막의 핵생성 밀도와 증착된 핵의 면적 및 대상물과 다이아몬드 박막간의 평행 자세 정도를 향상시킬 수 있는 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 가스공급수단이 결합된 MPECVD 장치를 나타내는 구성도.
도 2a 는 종래 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 텍스쳐 성장법에 의해 형성된 다이아몬드 박막 표면의 광학현미경 사진.
도 2b 는 본 발명의 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법에 의해 형성된 다이아몬드 박막의 표면사진.
도 3a는 종래의 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 텍스쳐 성장법에 의해 성장시킨 도2a의 다이아몬드 박막의 표면 조직을 보인 원자현미경 사진.
도 3b는 본 발명에 따라 다이아몬드 박막의 성장시간 대 에칭시간을 180초 대 30초로 설정하여 Si 기판 표면에 성장시킨 다이아몬드 박막의 핵생성밀도(nucleation density)이 나타난 박막 표면 조직을 보인 원자현미경 사진.
도 4a는 종래 증착법에 따른 증착 초기의 9시간 성장 후 다이아몬드 박막 표면의 입자의 생성밀도를 보인 전자현미경 사진.
도 4b는 본 발명에 따른 증착방법에 따른 증착초기(9 시간 성장후)의 다이아몬드 박막표면의 입자 생성 밀도를 보인 전자현미경 사진.
도 5a는 종래 증착법에 따라 실리콘 기판 표면에 18시간 동안 성장시킨 다이아몬드 박막의 표면을 보여주는 전자현미경 사진.
도 5b는 본 발명에 따라 다이아몬드 박막의 성장시간 대 에칭시간을 180초 대 30초로 설정하여 Si 기판 표면 위에 18시간 동안 성장시킨 다이아몬드 박막의 핵생성밀도(nucleation density)를 보인 전자 현미경사진.
도 5c는 본 발명에 따라 다이아몬드 박막의 성장시간 대 에칭시간을 30초 대 30초로 설정하여 실리콘 기판 표면에 18시간동안 성장시킨 다이아몬드 박막의 방향성(orientation)을 보인 전자 현미경사진.
도 5d는 본 발명에 따라 다이아몬드 박막의 성장시간 대 에칭시간을 30초 대
180초로 설정하여 Si 기판 표면에 성장시킨 다이아몬드 박막의 입자크기(textured grain size)를 보인 표면 전자 현미경 사진.
도 6은 본 발명에 따라 18시간 동안 Si 기판 표면에 성장시킨 다이아몬드 박막의 X선 록킹 곡선.
도 7은 본 발명에 따른 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법을 나타내는 순서도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1..성장챔버
4..그래파이트 서셉터(graphite susceptor)
6..몰리브덴 기판 홀더(molybdenum substrate holder)
7..실리콘 기판 10..관찰창
11..가스공급수단 17..수소가스봄베 18..탄소 함유 가스 봄베 20..제1밸브
21..가스 배출펌프 22.. 가스출입구
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법은, MPECVD에 의해 기판 위에 다이아몬드를 성장시키는 것으로, 기판의 표면을 탄화하는 단계, 기판의 표면에 핵을 생성하는 단계, 상기 핵을 성장시키는 단계를 포함하며, 상기 핵 생성 단계시 탄소 함유가스 와 수소가스의 혼합가스와 수소가스를 일정주기로 교대 반복 공급하는 싸이클릭프로세스단계를 포함한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법은, MPECVD 장치의 성장챔버 내부에 기판을 설치하는 기판장착단계; 상기 성장 챔버 내부를 수소가스 분위기로 만들고, 수소 분위기 하에서 상기 기판을 가열시켜 상기 대상물 표면의 불순물을 제거시키는 불순물 제거단계; 상기 성장챔버의 내부 압력을 일정한 범위로 유지시키는 압력유지단계; 상기 성장챔버 내부에 탄소 함유 가스와 수소 가스를 주입시켜 상기 기판 표면에 플라즈마를 형성시키는 탄화단계; 상기 기판 표면에 다이아몬드 핵을 생성시키기 위하여, 상기 기판에 소정의 바이어스 전압을 인가한 상태에서, 상기 성장챔버 내부에 수소 가스 및 수소 가스와 탄소 함유 가스가 혼합된 혼합가스를 교대 반복하여 주입시켜, 수소 플라즈마 상태 및 혼합 가스 플라즈마 상태를 일정 주기로 교대 반복하여 유지시키는 싸이클릭 프로세스단계를 포함하는 핵생성단계; 상기 기판 상부 표면에 상기 다이아몬드 입자를 성장시키는 성장단계;를 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐
성장법의 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 7은 본 발명에 따른 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법의 일 실시예를 나타내는 순서도이다.
본 발명은 제1도의 MPECVD 장치를 적용하므로 이하 도 1의 장치를 토대로 도 7에 도시된 본 발명에 따른 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법의 실시예를 설명한다.
1) 성장챔버(1) 내의 몰리브덴 기판홀더(6)에 기판 예를 들어, 실리콘(Si)기판(7)을 설치한다. 이 때 실리콘 기판(7)의 온도는 통상적으로 성장챔버(1) 윗면에 위치하여 발열체에서 나오는 적외선을 분석하여 온도를 측정하는 피로미터(pyrometer)(도면에 도시되지 않았음)로 측정한다(401).
2) 반응 초기에 성장챔버(1) 내부를 가스공급수단(11)을 이용하여 성장챔버(1) 내부를 수소 가스 분위기로 만들고, 이 분위기하에서 실리콘 기판(7)을 가열시켜 실리콘 기판(7) 표면의 불순물을 제거시킨다(402).
3) 외부의 기계적 펌프를 성장챔버(1) 외측면에 결합된 가스출입구(22)에 결합하여 성장챔버(1)의 내부 압력을 수 Torr 이하로 유지시키고, 성장챔버(1)내에 수소 가스와 메탄 가스를 혼합하여 주입시킨다(403).
4) 탄화단계(carburization step)로 성장챔버(1) 내부에 메탄 가스와 수소 가스를 주입하여 실리콘 기판(7) 표면에 플라즈마를 형성시켜 실리콘 카바이드(carbide)층을 형성시킨다. 일반적으로 실리콘 기판(7) 위에 스크래치(scratch)를 내지 않은 상태에서는 다이아몬드 핵이 생성되지 않기 때문에 플라즈마내에서 분해된 카본 래디칼은 실리콘 기판(7) 표면에서 다이아몬드 핵을 생성하지 않고 실리콘 기판(7) 내부로 확산하게 되어 표면에 실리콘 카바이드를 형성시키게 된다. 이 때 메탄의 농도는 2%로 유지시키고, 실리콘 기판(7)의 온도는 860℃로 유지하며, 석영 윈도우(8)로 통과시키는 마이크로웨이브(9)의 파워(power)는 900W에서 2시간 동안 성장챔버(1)내에 인가한다(404).
5) 핵생성단계(nucleation step)로 기판(7) 표면에 다이아몬드 핵을 생성시키기 위해 실리콘 기판(7)에 DC -200볼트의 마이너스(minus) 바이어스 전압을 인가한다. 그리고 실리콘 기판(7)의 온도와 마이크로웨이브(9)의 파워는 각각 860℃와 900W로 유지시킨다(405).
6) 핵생성단계 중, 싸이클릭 프로세스단계에서는, 수소 가스를 연속적으로 성장챔버내로 주입시키고, 가스공급수단(11)의 제1밸브(20)를 온(on)과 오프(off)를 일정한 주기로 반복적으로 작동시킴으로써 메탄 가스를 성장챔버(1)내로 유입(제1밸브 온) 및 차단(제1밸브 오프) 시킨다. 이렇게 하면 성장챔버(1)내로 메탄 가스가 공급될 때는 성장챔버(1) 내부는 수소 가스와 혼합되어 혼합 플라즈마로 변하고, 메탄가스의 공급이 차단될 때는 성장챔버(1) 내부는 단지 수소 플라즈마 상태로 변한다. 그리고 본 프로세스에서 매우 중요한 것으로서, 메탄 가스의 공급이 차단될 때, 제3파이프라인(14)을 통하여 성장챔버(1)내로 유입될 수 있는 잔류 메탄가스를 가스 배출펌프(21)로 배출시켜 성장챔버(1)내로 상기 잔류 메탄가스의 유입을 저지한다.
본 발명은 핵생성 단계시, 성장시간과 에칭시간이 반복되는 과정인 싸이클릭 프로세스를 적용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 있어서의 싸이클릭 프로세스는 혼합 플라즈마 상태로 시작하여 수소 플라즈마 상태로 끝마친다. 또한 상기 혼합 플라즈마 상태가 유지되는 시간을 다이아몬드의 박막을 성장시키는 성장시간(growth time)이라 하고, 상기 수소 플라즈마 상태가 유지되는 시간을 다이아몬드 박막의 성장이 중지되는 에칭시간(etching time)이라 한다(406).
본 발명은 상기 핵생성 단계(406)시, 성장시간과 에칭시간을 특정관계로 설정시킴으로써 종래 증착법에 의해 성장된 다이아몬드박막(도 5a 참조)에 비해 다이아몬드 박막의 핵생성 밀도, 입자밀도와 증착된 핵입자의 크기, 기판과 다이아몬드 박막간의 평행자세(orientation) 정도를 향상시킬 수 있다.
7) 성장단계(growth step)로서, 성장챔버(1)내의 온도와 메탄의 농도는 각각 700℃와 2%로 유지시키고, 압력 및 메탄의 농도는 각각 1000W와 25 Torr로 높여 실리콘 기판(7) 위에 다이아몬드 박막을 성장시킨다. 이로써 실리콘 기판(7) 위의 다이아몬드 박막의 성장은 완료된다(407).
본 발명은 상기 핵생성 단계시(406), 성장시간과 에칭시간을 특정관계로 설정시킴으로써 종래 증착법에 의해 성장된 다이아몬드 박막(도 5a 참조)에 비해 다이아몬드 박막의 핵 생성밀도, 입자 밀도, 증착된 핵입자의 크기, 기판에 대한 다이아몬드 박막의 평행자세 정도를 향상시킬 수 있다.
실리콘 기판(7) 위에 증착되는 다이아몬드의 핵 생성밀도(nucleation density)를 크게하기 위해서, 성장시간을 에칭시간보다 길게한다. 예를 들어, 제1밸브(20)의 온/오프 작동에 의하여 성장챔버(1)내는 메탄과 수소의 혼합 플라즈마 상태 및 수소 플라즈마 상태가 각각 180초 및 30초로 순차 반복적으로 7분 유지되도록 싸이클릭 프로세스를 수행시킨다(도 2b는 이에 대한 다이아몬드 박막의 핵생성 밀도를 검증하기 위해 핵생성 밀도와 비례관계가 있는 입자밀도(grain density)의 표면 분포도임).
한편, 실리콘 기판(7) 위에 증착되는 다이아몬드의 증착 핵의 입자크기(Textured grain size)를 크게 하기 위해서는 성장시간을 에칭시간 보다 작게한다. 예를 들어, 제1밸브(20)의 온/오프 작동에 의하여 성장챔버(1)내는 메탄과 수소의 혼합 플라즈마 상태 및 수소 플라즈마 상태가 각각 30초 및 180초로 순차 반복적으로 7분 유지되도록 싸이클릭 프로세스를 수행시키고(도 5d는 이에 대한 다이아몬드 박막의 표면 분포도임), 또한 실리콘 기판(7)과 다이아몬드 박막의 평행 자세(orientation) 정도를 향상시키기 위해서는 성장시간과 에칭시간을 동일하게 한다. 예를 들어, 제1밸브(20)의 온/오프 작동에 의하여 성장챔버(1)내는 메탄과 수소의 혼합 플라즈마 상태 및 수소 플라즈마 상태가 각각 30초 및 30초로 순차 반복적으로 7분 유지되도록 싸이클릭 프로세스를 수행시킨다(도 5c는 이에 대한 다이아몬드 박막의 표면 분포도임).
위와 같은 과정에 있어서, 각각의 봄베(17)(18)에서 공급된 수소 및 탄소 함유가스가 별도의 제2, 제3파이프라인(13)(14)을 각각 통과한 후 제1파이프라인(12)을 공히 통과하면서 혼합된 후 성장챔버(1)로 유입되도록 되어 있으나, 경우에 따라서, 상기 제2, 제3파이프라인(13)(14)이 성장챔버에 직접 연결되어 제2, 제3파이프 라인을 통해 공급된 수소 가스와 탄소 함유가스가 성장챔버(1) 내에서 혼합되게 할 수 있다.
도 2a는 종래 방법에 의해 증착된 다이아몬드 박막 표면의 증착면을 보이고, 도 2b는 본 발명에 따른 싸이클릭 과정을 통해 증착된 다이아몬드 박막 표면을 보인 사진다. 도 2a와 도 2b에 비교 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 다이아몬드 박막의 형성면적이 종래 방법에 의한 박막보다 월등히 넓다.
도 3a는 종래 방법에 의해 핵생성을 거친 이후, 5분 동안 결정성장단계과정을 거친 기판의 박막표면의 입자 생성 상태를 보인 AFM(atomic force microscopy)사진이며, 도 3b는 본 발명에 따른 핵생성단계를 거친 이후 5분 동안의 성장단계과정을 거친 박막표면의 입자 생성상태를 보인 AFM 사진이다. 도 3a와 도 3b에 비교도시된 바와 같이 본 발명의 방법에 의해 보다 좋은 밀도의 입자가 형성되었다.
도4a는 종래 방법에 의해 핵생성단계와 9시간동안의 박막성장단계를 거친 박막 표면의 전자현미경사진이고, 도 4b는 본 발명에 따라 핵생성단계와 박막성장단계를 거친 박막 표면의 전자현미경사진이다. 도 4a와 도 4b에 비교도시된 바와 같이 본 발명의 방법에 의해 보다 놓은 밀도의 입자가 형성되었는데, 측정에 의하면 밀도가 4배정도 높았다.
도 5a와 도 5b의 비교에서 알 수 있듯이 상기 싸이클릭 프로세스단계에서 성장시간을 에칭시간보다 길게 설정할 때는 다이아몬드의 핵 생성밀도(nucleation density)가 크게 되며, 이로 인해 입자밀도(grain density)가 증가하게 된다. 도 5a와 도 5c의 비교에서 상기 싸이클릭 프로세스단계의 성장시간을 에칭시간과 같게 설정 할 때는 {100} 면이 형성된 실리콘 기판(7)과 상기 다이아몬드 박막의 평행 자세 정도가 향상됨을 알 수 있다. 도 5a와 도 5d의 비교에서와 같이 상기 싸이클릭 프로세스단계의 성장시간을 점점 감소시켜 에칭시간보다 짧게 설정할 때는 다이아몬드의 핵 생성밀도인 입자밀도는 작아지나 다이아몬드의 증착된 핵 입자의 크기(Textured grain size)는 크게 된다.
그리고 도 6은 본 발명의 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법에 의해 {100} 면이 형성된 실리콘 기판에 18시간 동안 성장시킨 다이아몬드 박막의 X선 록킹 곡선을 나타낸다. 여기서 가로축은 단위가 각도(degree)인 쎄타(theta)를 나타내고, 세로축은 단위가 임의의 단위(arbtrary units)인 강도(intesity)를 나타낸다. X 선 록킹 곡선은 실리콘 기판과 다이아몬드 박막간의 평행한 자세(orientation) 정도를 나타내는 것으로, 선폭의 FWHM(Full Width Half Maximum) 값은 실리콘 기판과 다이아몬드 박막간의 평행한 자세 정도를 의미하고 FWHM이 작을수록 평행 정도가 잘 된 것이다. 도면에서 볼 수 있듯이 곡선 (a)는 싸이클리 프로세스를 적용하지 않은 혼합가스 플라즈마에서 핵성성단계를 진행한 종래 텍스쳐 방법으로 했을 때 FWHM이 약 9.6。인 곡선을 보이고 있고, 곡선 (b), 곡선 (c) 및 곡선 (d)는 본 발명에 따른 일 실시예의 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법의 싸이클릭 프로세스단계에서 성장시간 대 에칭시간을 각각 180초 대 30초, 30초 대 30초 및 30초 대 180초로 설정했을 때 FWHM의 값이 각각 약 8.5。, 약 8.2。 및 약 12.2。 인 것을 나타내고 있다. 따라서 상기 싸이클릭 프로세스 단계에서 성장시간 대 에칭시간을 같게 설정했을 때 FWHM의 값이 가장 작게 되어 {100} 면이 형성된 실리콘 기판과 다이아몬드 박막간의 평행한 정도가 가장 좋게 된다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 당업자의 수준에서 그 이용 및 개량이 가능하다. 예를 들어, 상기 탄소 함유 가스로서, 메탄 이외에 아세틸렌, 에틸렌, 메탄올, 일산화탄소, 이산화탄소, 또는 이황화탄소 등을 사용할 수 있다. 그리고 상기 기판으로서, 실리콘 기판 이외에 다이아몬드와의 에피텍시 형성이 가능한 격자상수의 물질 예를 들어, 구리(Cu), 탄화 실리콘(SiC), 일산화 베릴륨(BeO), 니켈(Ni), 또는 흑연(Graphite) 기판을 사용할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법은 핵생성단계에 싸이클릭 프로세스단계를 포함시키고, 이 싸이클릭 프로세스단계에서 성장시간과 에칭시간을 특정관계로 설정시킴으로서, 다이아몬드 박막의 핵생성 밀도 및 입자밀도와 증착된 핵 입자의 크기(Textured grain size)및 기판과 다이아몬드 박막간의 평행 자세(orientation) 정도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (16)

  1. 기판 위에 다이아몬드를 성장시키는 헤테로 싸이클리 테스쳐 성장법으로서, 기판의 표면을 탄화(carburization)하는 단계, 기판의 표면에 핵을 생성하는(nucleation) 단계, 상기 핵을 성장(growth)시키는 단계를 포함하며, 상기 핵생성단계는 탄소함유가스 및 수소 가스의 혼합가스와 수소가스가 일정주기로 교대 반복하여 공급되는 싸이클릭프로세스에 의해 이루어 지도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 헤테로 에피텍시 싸이클리 텍스쳐 성장법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 싸이클릭 프로세스단계는 상기 혼합가스 플라즈마 상태 유지 시간이 상기 수소 플라즈마 상태 유지 시간보다 길게 하여 증착되는 다이아몬드의 핵 생성밀도(nucleation density)를 크게하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 혼합가스 플라즈마 유지 시간은 180초, 상기 수소플라즈마 유지시간은 30초 인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 싸이클릭 프로세스단계는 상기 혼합가스 플라즈마 상태 유지 시간을 상기 수소 플라즈마 상태 유지 시간보다 짧게 하여 다이아몬드의 증착된 핵의 면적(textured grain size)을 크게 되도록 하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 혼합가스 플라즈마 유지 시간은 30초, 상기 수소플라즈마 유지시간은 180초 인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 싸이클릭 프로세스단계는 상기 혼합가스 플라즈마 상태 유지 시간이 상기 수소 플라즈마 상태 유지 시간과 동일하게 하여 상기 대상물의 {100} 결정면에 대한 상기 다이아몬드 박막의 평행성(orientation)을 향상시키는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 혼합가스 플라즈마 유지 시간은 30초, 상기 수소플라즈마 유지시간은 30초 인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 싸이클릭 프로세스 단계에서 상기 탄소 함유 가스는 메탄 가스인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 싸이클릭 프로세스 단계에서 상기 탄소 함유 가스는 아세틸렌, 에틸렌, 메탄올, 이황화탄소, 일산화탄소 중의 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 싸이클릭 프로세스 단계는 혼합가스 플라즈마 상태로 시작하여 수소 플라즈마 상태로 종료하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법.
  11. 성장챔버 내부에 기판을 설치하는 기판장착단계;
    상기 기판을 가열시켜 상기 대상물 표면의 불순물을 제거시키는 불순물 제거단계;
    상기 성장챔버의 내부 압력을 일정한 범위로 유지시키는 압력유지단계;
    상기 성장챔버 내부에 탄소 함유 가스와 수소 가스를 주입시켜 상기 대상물 표면에 플라즈마를 형성시키는 탄화단계;
    상기 기판에 소정의 바이어스 전압을 인가하여 상기 기판 표면에 다이아몬드 핵을 생성시키되, 상기 성장챔버 내부에 수소 가스 및 수소 가스와 탄소 함유 가스가 혼합된 혼합가스를 공급경로를 통해 반복적으로 교대 주입시켜, 수소 플라즈마 상태 및 혼합 가스 플라즈마 상태를 일정 주기로 교대 반복하여 유지시키는 싸이클릭 프로세스단계를 포함하는 핵생성 단계; 및
    상기 기판 상부 표면에 상기 다이아몬드 입자를 성장시키는 성장단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 싸이클릭 프로세스단계는:
    수소가스만 공급되는 과정에서 상기 탄소함유가스의 공급경로에 잔류하는 탄소함유가스를 배출시켜 성장챔버내로 유입되는 것을 방지하는 단계를; 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 싸이클릭 프로세스단계는: 상기 수소가스와 탄소함유 가스가 별도의 공급경로에 의해 상기 성장챔버내에 공급되도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 싸이클릭 프로세스단계는: 수소가스만 공급되는 과정 에서 상기 탄소함유가스의 공급수단에 잔류하는 탄소함유가스를 배출시켜 성장챔버 내로 유입되는 것을 방지하는 단계를; 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 기판장착단계에서는 상기 대상물로서 실리콘(Si) 기판을 설치함을 특징으로 하는 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐
    성장법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 기판장착단계에서는 상기 기판으로서 SiC, Cu, BeO,
    Ni, 흑연 중 어느 하나의 기판을 설치함을 특징으로 하는 다이아몬드 박막의 헤테로 에피텍시 싸이클릭 텍스쳐 성장법.
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