KR20000024497A - Diamond thin film and bulk formation method by laser ablation combined with high voltage discharge plasma CVD - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 레이저 애블레이션법과 고전압 방전 플라즈마CVD(chemical vapor deposition)법을 특수하게 결합시킨 레이즈마 혼합 방식의 새로운 방식에 의한 양질의 다이아몬드 박막 또는 벌크의 형성 장치 및 방법에 관한 것이다. 좀더 상세히 설명하면, 본 발명에 있어서, 상기한 두 방법을 상호보완적으로 특수하게 결합시키는 과정을 포함하고, 고전압 방전 플라즈마 밀도를 높이고 박막 증착 속도 효율을 증가시켜 보다 단시간 내에 양질의 다이아몬드를 기판 위에 형성시키기 위하여 플라즈마 존을 특수 열처리 제작된 유리 반응기(제 4 도)로 둘러 쌓이게 한 과정과, 상기한 증착 과정 중에 원자 수소가 기판 상에서 효율적으로 그 기능을 발휘하게 하고 원자 수소의 발생 효율을 증대 시키기 위하여 수소 가스를 플라즈마 중심부 즉, 다이아몬드 박막이 형성되는 기판 가까이 까지 공급될 수 있도록 특별한 가이드 튜브로 공급하는 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 양질의 다이아몬드 박막 또는 벌크의 형성 장치 및 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a device and method for forming a high quality diamond thin film or bulk by a new method of the lasma mixing method in which the laser ablation method and the high voltage discharge plasma CVD method are specifically combined. In more detail, in the present invention, a process of specifically combining the above two methods is complementary, and the high-voltage discharge plasma density is increased and the thin film deposition rate efficiency is increased so that high-quality diamonds can be deposited on the substrate in a shorter time. Enclosing the plasma zone in a special heat-treated glass reactor (FIG. 4) to form, and in order to make the atomic hydrogen effectively function on the substrate during the deposition process and to increase the generation efficiency of atomic hydrogen The present invention relates to a device and a method for forming a high quality diamond thin film or bulk, further comprising supplying hydrogen gas to a plasma center, that is, a special guide tube to be supplied near a substrate where a diamond thin film is formed. .
종래에는 기판 상에 다이아몬드 박막을 형성시키기 위해서는 일정 수소 분위기 하에서의 플라즈마 CVD법을 주로 사용하였다. 수소 분위기 하에서 다이아몬드를 성장시키게 되면, 수소 원자가 기판 상에 다이아몬드 구조를 지닌 sp³탄소 형성을 촉진하므로 품질이 우수한 다이아몬드 박막을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 한편 최근에는, 상기한 플라즈마 CVD법 이외에 레이저 애블레이션법이 그 장치의 구조가 간단하고, 그라파이트 타깃으로부터 방출되는 입자들의 높은 운동에너지 때문에 보다 낮은 기판 온도에서도 결정을 성장 시킬 수 있다는 장점으로 인해, 각종 박막 성장에 응용되고 있는 추세에 있다.Conventionally, in order to form a diamond thin film on a board | substrate, the plasma CVD method in constant hydrogen atmosphere was mainly used. When diamond is grown in a hydrogen atmosphere, it is known that hydrogen atoms promote formation of sp 3 carbon having a diamond structure on a substrate, thereby obtaining a diamond film having high quality. On the other hand, in recent years, in addition to the above-described plasma CVD method, the laser ablation method has a simple structure of the apparatus, and because of the high kinetic energy of the particles emitted from the graphite target, it is possible to grow crystals at lower substrate temperatures. It is being applied to thin film growth.
제 1 도와 제 2 도는 각각, 레이저 애블레이션 방법과 플라즈마 CVD법에 의해 다이아몬드 박막을 형성하는 과정을 나타낸 개략도로서, 제 1 도에 도시 된 바와 같이, 종래의 레이저 애블레이션 방법에서는, 엑시머 레이저 등의 레이저 발생원(1)으로부터 발생된 레이저 빔(2)을 렌즈(3)로 집광하여 진공 챔버(4) 내에 위치한 구동용 전동기(5)에 의해 천천히 회전하고 있는 그라파이트 타깃(6) 표면에 조사하고, 레이저 빔의 조사에 의해 그라파이트 타깃(6) 표면으로부터 튀어나온 입자들을 기판 가열기(10) 위에 위치한 기판(11) 상에 다이아몬드 박막을 형성시키게 된다. 제 2 도에 도시된 바와 같이 종래의 플라즈마 CVD법에서는 일정 간격 떨어진 두 평판 형상 고 순도 그라파이트 전극(6 과 8) 사이에 고압이 걸리면 캐소우드(6)로부터 수 많은 여기된 탄소 입자들이 방출 되게 되고, 이들 입자들이 기판 가열기(10) 위에 위치한 기판(11) 상에 증착 하게 되어 다이아몬드 박막을 형성시키게 된다.1 and 2 are schematic diagrams showing a process of forming a diamond thin film by a laser ablation method and a plasma CVD method. As shown in FIG. 1, in a conventional laser ablation method, an excimer laser or the like is shown. The laser beam 2 generated from the laser generation source 1 is collected by the lens 3 and irradiated onto the surface of the graphite target 6 which is slowly rotating by the driving motor 5 located in the vacuum chamber 4, Irradiation of the laser beam causes particles protruding from the surface of the graphite target 6 to form a diamond thin film on the substrate 11 positioned on the substrate heater 10. As shown in FIG. 2, in the conventional plasma CVD method, when a high pressure is applied between two flat high purity graphite electrodes 6 and 8 spaced apart from each other, a large number of excited carbon particles are released from the cathode 6. These particles are deposited on the substrate 11 located above the substrate heater 10 to form a diamond thin film.
그러나, 상기한 레이저 애블레이션 만의 방법을 사용하여 기판 상에 다이아몬드 박막을 형성하는 종래의 방법은, 그라파이트 타깃(6)에 레이저 빔(2)을 조사하여 방출된 탄소 입자들을 기판(11) 상에 증착 시킬 때 다이아몬드 상 (diamond phase: sp3)과 그라파이트 상 (graphite phase: sp2, sp)이 혼재 되어 양질의 다이아몬드 박막을 얻을 수 없다는 한계를 지니고 있었다. 이러한 기술적인 한계로 인해, 레이저 애블레이션 방법에 의해 증착된 다이아몬드 박막은 플라즈마 CVD법에 의해 얻어지는 박막에 비해 제반 특성 (기계적 특성, 열적 특성, 전기 전자적 특성 등)이 뒤 떨어져, 레이저 애블레이션 방법이 상기한 바와 같이 낮은 기판온도에서 증착 할 수 있다는 장점이 있음에도 불구하고, 산업적으로 널리 사용 되지 못하고 있는 실정이다. 또한, 플라즈마 CVD 만의 방법으로 얻어진 다이아몬드 박막은 품질이 우수하지만 얻어지는 시간이 많이 걸린다는 점으로 인해 생산비용이 많이 든다는 단점이 있었다 (0.1mm 크기의 다이아몬드를 성장 시키는데 약 40∼50 시간 정도 소요).However, in the conventional method of forming a diamond thin film on a substrate by using the above laser ablation method, the carbon particles emitted by irradiating the laser target 2 on the graphite target 6 are discharged onto the substrate 11. In the deposition, the diamond phase (sp 3 ) and the graphite phase (sp 2 , sp) were mixed and had a limitation that a high quality diamond thin film could not be obtained. Due to these technical limitations, the diamond thin film deposited by the laser ablation method is inferior to the thin film obtained by the plasma CVD method (mechanical, thermal, electro-electronic properties, etc.). Despite the advantage of being able to deposit at a low substrate temperature as described above, the situation is not widely used industrially. In addition, the diamond thin film obtained by the plasma CVD method alone has a disadvantage in that the production cost is high due to the high quality, but the time required for obtaining the diamond (about 40-50 hours to grow a 0.1mm diamond).
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 레이저 애블레이션 방법으로 기판 상에 다이아몬드 박막 형성 시 상기한 제반 특성이 뒤떨어지는 것을 극복하고, 플라즈마 CVD법으로 기판 상에 다이아몬드 박막을 형성 시킬 시, 본 발명에서 특수 고안된 장치로 여기효율 및 증기 증착 효율을 극대화 시켜 보다 단시간 내에 보다 좋은 품질의 다이아몬드 박막과 벌크를 형성시킬 수 있는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention was devised to improve the above problems of the prior art, and an object of the present invention is to overcome the inferior characteristics mentioned above when forming a diamond thin film on a substrate by a laser ablation method, When forming a diamond thin film on the substrate, the purpose of the present invention is to provide a method of specially designed device to maximize the excitation efficiency and vapor deposition efficiency to form a better quality diamond thin film and bulk in a shorter time .
본 발명자는 첫째로 플라즈마 CVD법에서는 기판 상에 다이아몬드 박막이 형성 시, 주위에 존재하는 수소원자가 그라파이트 상(sp 또는 sp2)의 탄소의 형성을 억제하고 다이아몬드 상(sp3)의 탄소 형성을 촉진한다는 점과, 둘째로 레이저 애블레이션 방법에서는 그 장치의 구조가 간단하고, 방출된 탄소 입자들의 운동에너지가 높아 낮은 기판 온도에서도 결정화를 이룰 수 있다는 점들이 상호 보완적인 관계에 있다는 착안으로부터 상기한 두 방법을 동시에 동일 챔버 내에서 이루어 지도록 하면서 다이아몬드 박막을 형성 시킬 경우 기판 상에는 보다 낮은 기판온도에서 보다 더 빠른 시간 내에 보다 순수한 다이아몬드 상을 함유한 양질의 박막과 벌크를 얻을 수 있다는 판단에서 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The present inventors firstly, in the plasma CVD method, when a diamond thin film is formed on a substrate, hydrogen atoms in the surroundings inhibit the formation of carbon in the graphite phase (sp or sp 2 ) and promote carbon formation in the diamond phase (sp 3 ). Secondly, the laser ablation method is complementary to the fact that the structure of the device is simple and the kinetic energy of the emitted carbon particles is high so that crystallization can be achieved even at low substrate temperature. When the diamond thin film is formed while the method is performed in the same chamber at the same time, the present invention is completed in the judgment that a high quality thin film and bulk containing a pure diamond phase can be obtained on a substrate at a lower substrate temperature in a faster time. It came to the following.
제 1 도는 종래의 레이저 애블레이션법에 의해 다이아몬드 박막을 형성하는 과정을 나타낸 개략도 이다.1 is a schematic diagram showing a process of forming a diamond thin film by a conventional laser ablation method.
제 2 도는 종래의 고전압 방전 플라즈마 CVD법에 의한 다이아몬드 박막을 형성하는 과정을 나타낸 개략도 이다.2 is a schematic view showing a process of forming a diamond thin film by a conventional high voltage discharge plasma CVD method.
제 3 도는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이즈마(Lasma) 혼합법에 의한 다이아몬드 박막과 벌크을 형성시키는 과정을 나타낸 개략도 이다.3 is a schematic diagram showing a process of forming a diamond thin film and bulk by the Lasma mixing method according to an embodiment of the present invention.
제 4 도는 본 발명에서 고안 설계된 반응기의 세부 결합도 이다.4 is a detailed coupling diagram of a reactor designed and designed in the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1: 레이저 발생원 2: 레이저 빔1: laser source 2: laser beam
3: 집광 렌즈 4: 진공 챔버3: condenser lens 4: vacuum chamber
5: 타깃 구동형 전동기 6: 그라파이트 타깃 (캐소오드)5: Target driven motor 6: Graphite target (cathode)
7: 레이저 플륨 8: 애노드 (기판 홀더)7: laser plum 8: anode (substrate holder)
9: 플라즈마 존(Zone) 10: 기판 가열기9: plasma zone 10: substrate heater
11: 기판 12: 반응기11: substrate 12: reactor
12a: 연결 컨넥터 12b: 레이저 빔 조사용 구멍12a: connection connector 12b: hole for laser beam irradiation
12c: 타깃과 반응기 고정용 나사구멍 12d: 케소우드와 인입도체 연결용 나사구멍12c: Screw hole for fixing target and reactor 12d: Screw hole for connecting cathode and lead conductor
13: 수소 가스 가이드 튜브 14: 구동형 반사경13: hydrogen gas guide tube 14: driven reflector
상기한 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 레이저 애블레이션 방법과 수소 가스 하에서의 고전압 방전 플라즈마 CVD법의 독특한 결합 방식에 의한 다이아몬드 박막 및 벌크 형성 방법은, 고전압 공급 장치로 일정 간격으로 격리된 두 순수 (99.999 %) 그라파이트 전극에 높은 전압을 공급해 반응기내부에 방전 플라즈마를 발생시켜 주위의 수소 가스를 들뜬 상태의 원자수소로 만들어 캐소우드로부터 방출된 수많은 탄소원자와 뒤섞임과 동시에, 레이저 원으로부터의 레이저 빔을 그라파이트 타깃(캐소우드)에 조사하여 플라즈마 내부에서 기판쪽으로 높은 운동에너지를 가진 탄소 입자들을 튀어나오게 해 플라즈마 내부의 원자수소와 뒤섞이게 하고, 이 뒤섞인 입자들을 플라즈마 한가운데에 위치한 기판 상에 증착시켜 다이아몬드 박막 또는 벌크를 형성하는 레이저 애블레이션 방법과 고전압 방전 플라즈마 CVD법을 결합시킨 레이즈마 혼합 방법에 의한 다이아몬드 박막 또는 벌크 형성방법에 있어서, 상기한 증착 과정 중에 플라즈마 밀도를 증가 시켜 증착 효율 및 속도를 향상시키기 위해 고안된 고온 열처리된 유리 반응기로 플라즈마 존을 애워 싸도록 하는 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기한 수소 원자가 기판 상에서 효율적으로 그 기능을 발휘하게 하고 원자 수소의 발생 효율을 증대 시키기 위하여 수소 가스를 다이아몬드 박막이 형성되는 기판 가까이 까지 공급할 수 있도록 유도하기 위해 특별한 가이드 튜브를 사용하는 것과, 고정된 타깃에 레이저 빔을 조사할 때 타깃이 회전하고 있는 상태와 동일한 효과를 발휘하게 하도록 하기 위해선 구동형 반사경을 사용하는 것이 바람직하다.In order to achieve the above object, the diamond thin film and the bulk forming method by the unique combination of the laser ablation method according to the present invention and the high voltage discharge plasma CVD method under hydrogen gas are separated at regular intervals by a high voltage supply device. A high voltage is applied to the two pure (99.999%) graphite electrodes to generate a discharge plasma inside the reactor, which turns the surrounding hydrogen gas into excited atomic hydrogen and mixes it with numerous carbon atoms emitted from the cathode, The laser beam is irradiated onto the graphite target (causwood) to cause carbon particles with high kinetic energy to protrude from the inside of the plasma toward the substrate, mixing with the atomic hydrogen inside the plasma, and depositing the mixed particles on the substrate located in the middle of the plasma. Diamond thin film or bee In the diamond thin film or bulk formation method by the laser ablation method combining the laser ablation method and the high voltage discharge plasma CVD method, in order to improve the deposition efficiency and speed by increasing the plasma density during the deposition process described above. The method may further include enclosing the plasma zone with the designed high temperature heat-treated glass reactor. At this time, to use the special guide tube to induce the hydrogen gas to be supplied near the substrate on which the diamond film is formed in order to make the above-described hydrogen atoms to effectively function on the substrate and increase the generation efficiency of atomic hydrogen, When irradiating a laser beam to a fixed target, it is preferable to use a driving reflector in order to have the same effect as the state in which the target is rotating.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다이아몬드 박막 또는 벌크 형성방법을 첨부 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, a diamond thin film or a bulk forming method according to a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
제 3 도는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 애블레이션 방법과 고전압 방전 플라즈마 CVD법을 결합 시킨 레이즈마 혼합방법에 의한 다이아몬드 박막 또는 벌크를 형성시키는 과정을 나타낸 개략도 이다. 제 3 도에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 애블레이션 방법과 고전압 방전 플라즈마 CVD법의 혼합방식에 의한 다이아몬드 박막 또는 벌크 형성방법에서는, 상기한 두 종류의 방법이 서로의 장·단점이 상호 보완적이 되도록 특수하게 결합시키고, 수소 분위기 하에서 기판 상에 다이아몬드 박막 또는 벌크를 형성 시, 박막 증착 속도, 효율을 증가 시키고 양질의 다이아몬드를 형성시키기 위하여 플라즈마 존를 고온 열처리된 유리 반응기(제 4 도 참조)로 애워 싸도록 하는 과정을 추가로 포함하는 것과 상기한 원자 수소가 기판상에서 효율적으로 그 기능을 발휘하게 하고 원자 수소의 발생 효율을 증대 시키기 위하여 수소 가스를 다이아몬드 박막이 형성되는 기판 가까이 까지 공급할 수 있도록 유도하기 위해 특별한 가이드 튜브를 사용하는 과정을 포함하는 별도의 장치를 부설한 다음, 본 발명에 따른 레이저 애블레이션 방법과 수소 가스 하에서의 고전압 방전 플라즈마 CVD법의 독특한 결합 방식에 의한 다이아몬드 박막 및 벌크 형성방법은, 고전압 공급 장치로 일정 간격 격리된 두 순수 흑연 전극에 파워 공급 장치로 고전압을 공급해 방전 플라즈마를 발생시켜 주위의 수소 가스를 들뜬 상태의 원자수소로 만들어 캐소우드로부터 방출되는 탄소원자와 뒤섞임과 동시에, 레이저 빔을 흑연 타깃(캐소우드)에 조사하여 플라즈마 내부에서 기판쪽으로 높은 운동에너지를 가진 탄소 입자들을 튀어나오게 해 플라즈마 내부의 원자 수소와 뒤섞이게 하고, 이 뒤섞인 입자들을 플라즈마 한가운데에 위치한 기판 상에 정착시켜 다이아몬드 박막 또는 벌크를 형성하는 레이저 애블레이션 방법과 고전압 방전 플라즈마 CVD법과의 혼합 방법에 의한 다이아몬드 박막 또는 벌크 형성방법 이다.3 is a schematic diagram illustrating a process of forming a diamond thin film or bulk by a laser mixing method combining a laser ablation method and a high voltage discharge plasma CVD method according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, in the diamond thin film or the bulk forming method by the mixing method of the laser ablation method and the high voltage discharge plasma CVD method according to the present invention, the above two types of methods have mutual advantages and disadvantages. Glass reactors heat-treated in a plasma zone to increase thin film deposition rate, efficiency and to form high-quality diamonds when specially bonded to complement and form a thin diamond film or bulk on a substrate in a hydrogen atmosphere (see FIG. 4). And to supply hydrogen gas near the substrate where the diamond thin film is formed so that the above-described atomic hydrogen can function effectively on the substrate and increase the generation efficiency of atomic hydrogen. Using special guide tubes to guide and The diamond thin film and the bulk forming method by the unique combination method of the laser ablation method according to the present invention and the high voltage discharge plasma CVD method under hydrogen gas according to the present invention are separated by a high voltage supply device. A high voltage is supplied to the two pure graphite electrodes with a power supply to generate a discharge plasma, and the surrounding hydrogen gas is made into excited atomic hydrogen, mixed with carbon atoms emitted from the cathode, and the laser beam is Irradiates the carbon particles with high kinetic energy from the inside of the plasma toward the substrate to be mixed with the atomic hydrogen inside the plasma, and then settles on the substrate in the middle of the plasma to form a diamond thin film or bulk. Laser Ablation Methods and Classics A diamond thin film or a bulk-forming method using a mixed method of a discharge plasma CVD method.
본 발명에서는 상기한 레이저 애블레이션법 만의 단점을 보완하고, 수소 분위기 하에서 플라즈마 CVD법의 효율을 증가 시키기 위해 상기한 두 종류의 형성방법을 특수하게 결합시키고, 진공 챔버 중심부에 위치한 반응기속의 플라즈마 존을 고온 열처리 제작된 유리 반응기로 둘러 쌓게 해, 플라즈마 존의 밀도를 증가 시켜 수소 가스의 여기 효율 및 박막 증착 속도 등을 향상시켜, 발생 플라즈마 중심부의 높은 온도로 인해 별도의 기판가열기로 가열치 않고 그라파이트 애노드 위에 놓인 기판 상에 다이아몬드를 형성 시, 기존의 방법보다 품질이 우수한 다이아몬드 박막 또는 벌크를 제조토록 한 것이다. 반응기내부 기판 근처까지 가이드 튜브에 의해 공급된 수소 가스가 고 밀도 플라즈마 속에서 변한 원자수소에 의해, 그라파이트 상(sp, sp2)을 형성할 탄소 원자들이 원자수소와 반응함으로써 기판에서 탈착하게 되고, 그 결과 기판(4) 상에는 기존의 어떠한 방법보다도 품질이 순수한 다이아몬드 상(sp3) 만이 존재하게 되어, 전기 전자적, 열적, 기계적 특성 등이 보다 향상된 다이아몬드 박막 또는 벌크가 형성되게 된다. 뿐만 아니라 본 발명에서 새롭게 고안된, 레이즈마 혼합 방법은 어떤 재료 표면의 하드 코팅 (hard coating) (예를 들면 전자재료, 절삭공구 등)과 같은, 타 종류의 박막 제조에도 효과적으로 응용될 수 있도록 고안하였다. 특히 최근에는 FED(field emission device) 등의 제작 시 가장 중요한 필드 에미션 팁(field emission tip)을 사용하지 않는 박막을 제공함으로써, 평판 디스플레이 (flat panel display) 소자로서 크게 각광 받고 있는 다이아몬드 박막 제조 방법으로 응용할 수 있다.In the present invention, to complement the above-mentioned disadvantages of the laser ablation method only, in order to increase the efficiency of the plasma CVD method under a hydrogen atmosphere, the two types of formation methods are specifically combined, and the plasma zone in the reactor located in the center of the vacuum chamber Enclosed by a glass reactor fabricated at high temperature, the density of the plasma zone is increased to improve the excitation efficiency of the hydrogen gas and the deposition rate of the thin film. When diamond is formed on an overlying substrate, the diamond thin film or bulk is produced with better quality than conventional methods. Hydrogen gas supplied by the guide tube to the vicinity of the substrate inside the reactor is decomposed from the substrate by the reaction of atomic hydrogen with carbon atoms to form the graphite phase (sp, sp 2 ) by the atomic hydrogen changed in the high density plasma, As a result, only a diamond phase sp 3 of pure quality is present on the substrate 4, resulting in a diamond thin film or bulk having improved electrical, electronic, thermal, and mechanical properties. In addition, the lasma mixing method newly devised in the present invention is designed to be effectively applied to other types of thin film production, such as hard coating (for example, electronic materials, cutting tools, etc.) on any material surface. . In particular, recently, a diamond thin film manufacturing method that has gained great attention as a flat panel display device by providing a thin film that does not use the field emission tip, which is the most important in manufacturing a field emission device (FED), etc. It can be applied as
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A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |