KR20240016789A - 포커스 링 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 식각 공정에서 웨이퍼를 고정 및 보호하는 포커스 링 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 포커스 링 및 그 제조 방법에 따르면, 베이스 소재 외에 상기 베이스 소재의 외표면에 다이아몬드 계열의 다이아몬드 증착층이 증착될 수 있게 된다. 이에 따라, 포커스 링에는 다이아몬드 특유의 우수한 각종 물리/화학/광학적 물성이 반영되어, 포커스 링의 공정 성능 및 수명이 더욱 증진될 수 있게 된다.
Description
본 발명은 포커스 링 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 식각 공정에서 웨이퍼를 고정 및 보호하는 포커스 링 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 소자를 제조하기 위한 반도체 제조 공정은 박막 증착 공정, 확산 공정, 열처리 공정, 포토리소그래피 공정, 연마 공정, 식각 공정, 이온주입 공정, 세정 공정 등 다종의 공정들을 통해 수행된다.
이러한 공정들 중, 식각 공정은 주로 플라즈마 반응에 의해 수행될 수 있다. 이때, 플라즈마 공정 수행시 반도체 웨이퍼는 높은 열과 부식 유발 소자들에 직접적으로 노출되는 관계로, 웨이퍼의 위치를 견고히 고정하고, 웨이퍼 테두리의 손상을 방지하며 플라즈마 밀도를 균일하게 유지하기 위한 포커스 링이 활용되고 있다.
그리고, 상술한 포커스 링의 일 예로, 선행하는 한국 공개 특허 제 10-2018-0071809 호에는 분리용 박막층 및 슬릿 홈을 포함하는 SiC 포커스링 제조방법 및 그에 이용가능한 모재가 개시되어 있다. 또한, 상기 선행문헌에 따르면, SiC가 증착되는 포커스 링 제작용 링형 모재가 개시되어 있다. 또한, 상기 선행문헌에는 SiC 증착 과정 이후 상기 링형 모재가 상하로 손쉽게 분리됨으로써 SiC 소재의 포커스 링이 획득될 수 있어, 포커스 링 생산성 및 가공성이 향상될 수 있다는 작용효과가 개시되어 있다.
한편, 포커스 링은 고온 및 고부식 환경에 직접적으로 노출된 관계로 일정 주기를 단위로 교체가 예정된 소모품이다. 따라서, 포커스 링의 사용 수명을 증진시키기 위하여 포커스 링은 각종 물리/광학적 물성 외에도, 높은 수준의 열적 특성 및 내부식성을 지녀야 한다.
그러나, 상기 선행문헌에는 상술한 문제 해결을 위한 해결 수단이 개시되어 있지 않아, 이로 인해 포커스 링의 교체 비용을 근본적으로 줄일 수 없게 된다는 문제점이 발생하게 된다.
상술한 과제 해결의 일환으로, 본 발명은 각종 물리/광학적 물성 외에도, 높은 수준의 열적 특성 및 내부식성을 지닌 포커스 링 및 그 제조 방법을 제공하고자 하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 의한 포커스 링 제조 방법은, 베이스 소재의 외표면 중 적어도 일부에 다이아몬드 분말이 분산되는 다이아몬드 분말 분산 단계, 상기 다이아몬드 분말을 시드로 하여, 상기 베이스 소재의 외표면에 다이아몬드 핵이 생성되는 다이아몬드 핵 생성 단계 및 상기 다이아몬드 핵을 시드로 하여, 다이아몬드 증착층이 상기 베이스 소재의 외표면 중 적어도 일부에 성장 및 형성되는 다이아몬드 성장 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다이아몬드 분말은, 나노 다이아몬드 분말인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다이아몬드 분말은, RFCVD(Radio Frequency Chemical Vapor Deposition) 공법을 통해 H2 플라즈마 처리된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다이아몬드 성장 단계는, 메탄 가스 및 수소 가스가 포함되는 원료 가스를 이용한 HFCVD(Hot Filament Chemical Vapor Deposition) 공법을 통해 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다이아몬드 성장 단계는, 상기 메탄 가스와 상기 수소 가스의 부피비가 0.1 내지 10 : 100 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 원료 가스는, 붕소 가스를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 붕소 가스는, 다이보레인(Diborane), 트리메틸 보레이트(Trimethyl borate, TMB) 및 트리에틸 보레이트(Triethyl borate, TEB)를 포함하는 군에서 선택되는 적어도 한 종인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다이아몬드 성장 단계는, 붕소의 원자 개수와 탄소의 원자 개수 비가 0.05 내지 2 : 100 으로 마련되도록, 상기 메탄 가스와 상기 붕소 가스가 주입됨으로써 수행되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명에 의한 포커스 링은, 베이스 소재 및 상기 베이스 소재의 외표면 중 적어도 일부에 증착된 다이아몬드 증착층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다이아몬드 증착층은, 소정의 붕소가 도핑된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다이아몬드 증착층은, 붕소의 원자 개수와 탄소의 원자 개수 비가 0.05 내지 2 : 100 으로 마련된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다이아몬드 증착층은, 다이아몬드의 (111) 면 및 (220) 면을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다이아몬드 증착층은, X선 회절 분석(X-Ray Diffraction)이 수행되는 경우, 상기 다이아몬드의 (111) 면 및 (220) 면의 피크 중 적어도 어느 하나가 가장 높게 나타나는 것을 특징으로한다.
또한, 상기 다이아몬드 증착층은, 라만 분광 분석(Raman spectroscopy)이 수행되는 경우, 마이크로 다이아몬드의 피크가 가장 높게 나타나는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다이아몬드 증착층은, 비저항값이 0.9 Ω/cm2 내지 1.2 Ω/cm2 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다이아몬드 증착층은, 홀 이동도가 38 cm2/V·s 내지 142.7 cm2/V·s 이고, 홀 계수는 3.3·10-2 m2/C 내지 7.5·10-2 m2/C 인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 포커스 링 및 그 제조 방법에 따르면, 베이스 소재 외에 상기 베이스 소재의 외표면에 다이아몬드 계열의 다이아몬드 증착층이 증착될 수 있게 된다. 이에 따라, 포커스 링에는 다이아몬드 특유의 우수한 각종 물리/화학/광학적 물성이 반영되어, 포커스 링의 공정 성능 및 수명이 더욱 증진될 수 있게 된다.
또한, 상기 다이아몬드 증착층에 붕소(Boron, B)가 도핑됨으로써, 붕소 자체에 기인한 강한 내부식성이 포커스 링에 부가될 수 있게 된다.
또한, 다이아몬드 특유의 강한 물성을 지니면서도, 부도체인 일반 다이아몬드 대비 붕소에 기인한 높은 전기 전도성을 지닌 포커스 링이 제공될 수 있게 되어, 이에 따라 상기 포커스 링은 전기 전도성을 요하는 특수 반도체 공정에 활용될 수 있고, 반도체 공정 외에 일종의 다목적 전극으로도 활용될 수 있는 등 다양한 활용성이 제공될 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 포커스 링 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 의한 포커스 링의 단면 적층 상태를 나타내는 모식도이다.
도 3a는 비교예 1-1에 의한 다이아몬드 핵의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 3b는 비교예 1-2에 의한 다이아몬드 핵의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 3c는 비교예 1-3에 의한 다이아몬드 핵의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 4a는 본 발명의 실시예 1-1에 의한 다이아몬드 핵의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 4b는 본 발명의 실시예 1-2에 의한 다이아몬드 핵의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 4c는 본 발명의 실시예 1-3에 의한 다이아몬드 핵의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 5a는 본 발명의 비교예 2에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 5b는 본 발명의 실시예 2-1에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 5c는 본 발명의 실시예 2-2에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 5d는 본 발명의 실시예 2-3에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 5e는 본 발명의 실시예 2-4에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 5f는 본 발명의 실시예 2-5에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 5g는 본 발명의 실시예 2-6에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 6a는 본 발명의 비교예 2에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다.
도 6b는 본 발명의 실시예 2-1에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다.
도 6c는 본 발명의 실시예 2-2에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다.
도 6d는 본 발명의 실시예 2-3에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다.
도 6e는 본 발명의 실시예 2-4에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다.
도 6f는 본 발명의 실시예 2-5에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다.
도 6g는 본 발명의 실시예 2-6에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 주요 실시예 및 비교예별 다이아몬드 증착층의 증착 속도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 주요 실시예 및 비교예별 다이아몬드 증착층의 라만 분광 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 주요 실시예 및 비교예별 다이아몬드 증착층의 X선 회절 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 주요 실시예 및 비교예별 다이아몬드 증착층의 비저항 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 주요 실시예 및 비교예별 다이아몬드 증착층의 순환 전압 전류법 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 주요 실시예 및 비교예별 다이아몬드 증착층의 홀 효과 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명에 의한 포커스 링의 단면 적층 상태를 나타내는 모식도이다.
도 3a는 비교예 1-1에 의한 다이아몬드 핵의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 3b는 비교예 1-2에 의한 다이아몬드 핵의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 3c는 비교예 1-3에 의한 다이아몬드 핵의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 4a는 본 발명의 실시예 1-1에 의한 다이아몬드 핵의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 4b는 본 발명의 실시예 1-2에 의한 다이아몬드 핵의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 4c는 본 발명의 실시예 1-3에 의한 다이아몬드 핵의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 5a는 본 발명의 비교예 2에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 5b는 본 발명의 실시예 2-1에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 5c는 본 발명의 실시예 2-2에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 5d는 본 발명의 실시예 2-3에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 5e는 본 발명의 실시예 2-4에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 5f는 본 발명의 실시예 2-5에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 5g는 본 발명의 실시예 2-6에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 6a는 본 발명의 비교예 2에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다.
도 6b는 본 발명의 실시예 2-1에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다.
도 6c는 본 발명의 실시예 2-2에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다.
도 6d는 본 발명의 실시예 2-3에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다.
도 6e는 본 발명의 실시예 2-4에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다.
도 6f는 본 발명의 실시예 2-5에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다.
도 6g는 본 발명의 실시예 2-6에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 주요 실시예 및 비교예별 다이아몬드 증착층의 증착 속도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 주요 실시예 및 비교예별 다이아몬드 증착층의 라만 분광 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 주요 실시예 및 비교예별 다이아몬드 증착층의 X선 회절 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 주요 실시예 및 비교예별 다이아몬드 증착층의 비저항 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 주요 실시예 및 비교예별 다이아몬드 증착층의 순환 전압 전류법 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 주요 실시예 및 비교예별 다이아몬드 증착층의 홀 효과 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 구체적인 설명에 앞서, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시 예 및 도면에 포함되어 있고, 명세서 전체에 걸쳐 기재된 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
또한, 본 명세서에서의 단수형 표현들은 문구에서 특별히 언급하지 않는 이상 복수형도 포함한다 할 것이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명에 의한 포커스 링 및 그 제조 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 의한 포커스 링 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
그리고, 도 2는 본 발명에 의한 포커스 링의 단면 적층 상태를 나타내는 모식도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 포커스 링 제조 방법은 1차 세척 단계(S100), 다이아몬드 분말 플라즈마 처리 단계(S200), 다이아몬드 분말 분산 단계(S300), 2차 세척 단계(S400), 다이아몬드 핵 생성 단계(S500) 및 다이아몬드 성장 단계(S600)를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 1차 세척 단계(S100)를 통해, 포커스 링(1000) 제조를 위한 기초 재료인 베이스 소재(100)가 세척되는 과정이 진행될 수 있다.
여기서, 상기 베이스 소재(100)는 규소(Si), 탄화규소(SiC), 석영(Quartz), 그 외 언급되지 않은 각종 포커스 링(1000) 제작용 소재일 수 있다. 또한, 상기 베이스 소재(100)는 반도체의 각종 식각(etching) 공정 등 수요처에 대응되는 소재, 규격 및 형상으로 제조될 수 있다.
또한, 더 상세하게는, 아세톤, 에탄올, 증류수 등과 같은 세척용 물질들이 상기 1차 세척 단계(S100)에 활용될 수 있다. 또한, 언급된 세척용 물질들은 초음파 세정장치 등 다양한 수단을 통해 분사됨으로써 세척 과정에 활용될 수 있다. 또한, 아세톤 및 증류수 각각은 5분 내지 30분간 세척 작용을 위해 분사될 수 있다.
그리고, 상기 다이아몬드 분말 플라즈마 처리 단계(S200)를 통해, 베이스 소재(100)의 상부 표면에 분산되기 위한 나노 다이아몬드 분말(nano-crystalline diamond powder)에 플라즈마 처리가 수행될 수 있다.
여기서, 상기 나노 다이아몬드 분말의 평균 입자 크기는 5 nm 내지 55 nm 일 수 있다. 특히, 나노 다이아몬드는 마이크로 다이아몬드 등에 비해 잔류 응력 등 각종 물성이 상당히 낮아, 입자간 응집성이 매우 낮으므로 다이아몬드 코팅 증착층의 핵 생성 및 확장을 위한 시드(seed)로서 유리한 성질을 가지고 있다.
또한, 상기 플라즈마 처리는 H2 플라즈마 처리일 수 있으며, 이를 위해 RFCVD(Radio Frequency Chemical Vapor Deposition) 등 다양한 공법이 활용될 수 있다. 이와 같은 플라즈마 처리를 통해, 나노 다이아몬드 분말 입자들의 응집성이 더욱 완화되어, 최종 생성물 생산 수율을 더욱 향상시킬 수 있는 증착용 시드(seed)가 제공될 수 있게 된다.
다음으로, 상기 다이아몬드 분말 분산 단계(S300)를 통해, 나노 다이아몬드 분말이 베이스 소재(100)의 상부 표면에 분산될 수 있다.
더 상세하게는, 상술한 나노 다이아몬드 분말이 에탄올에 첨가 및 교반되어, 분말 현탁액이 제조될 수 있다. 또한, 상기 분말 현탁액의 w/v 퍼센트 농도는 0.2 % 내지 10 % 일 수 있다.
다음으로, 베이스 소재(100)의 외표면에 상기 분말 현탁액이 도포되어, 베이스 소재(100) 표면으로의 나노 다이아몬드 분말 분산이 수행될 수 있다. 이때, 상기 분말 현탁액 도포 과정은 초음파 세척기, 각종 스프레이 장치 등 다양한 수단들을 통해 수행될 수 있다.
다음으로, 상기 2차 세척 단계(S400)가 수행될 수 있으며, 이는 전술한 1차 세척 단계(S100)에 대응되는 공정으로 진행될 수 있다. 또한, 세척이 완료된 다음 질소 가스를 이용한 건조 공정이 수행될 수 있다.
다음으로, 상기 다이아몬드 핵 생성 단계(S500)를 통해, 상술한 나노 다이아몬드 분말을 시드로 하여 베이스 소재(100)의 상부 표면에 다이아몬드 핵이 생성될 수 있다.
더 상세하게는, 다이아몬드 핵 생성을 위해 HFCVD(Hot Filament Chemical Vapor Deposition) 등과 같은 다양한 화학적 기상 증착법(CVD, chemical vapor deposition)이 수행될 수 있다. 또한, HFCVD 공법 수행을 위한 핵 생성 가스로서, 메탄(Methane) 가스, 수소(H2) 가스, 그 외 각종 불활성 기체가 활용될 수 있다. 여기서, 메탄 가스와 수소 가스의 부피비는 0.1 내지 10 : 100 으로 마련될 수 있다.
이와 같은 다이아몬드 핵 생성을 통해, 이를 시드로 하여 후술할 다이아몬드 증착층(200)이 더욱 원활히 생성될 수 있게 된다.
다음으로, 상기 다이아몬드 성장 단계(S600)를 통해, 상술한 다이아몬드 핵을 기반으로 하여 베이스 소재(100)의 상부 표면에 다이아몬드 증착층(200)이 확장 형성됨으로써, 최종적인 포커스 링(1000)이 제조될 수 있다. 여기서, 상기 다이아몬드 증착층(200)은 일반적인 다이아몬드 외에도 붕소가 도핑된 다이아몬드(Boron Doped Diamond, BDD)일 수 있다.
더 상세하게는, 다이아몬드 증착층(200) 형성을 위해 HFCVD(Hot Filament Chemical Vapor Deposition) 등과 같은 다양한 화학적 기상 증착법(CVD, chemical vapor deposition)이 수행될 수 있다. 또한, HFCVD 공법 수행을 위한 원료 가스로서, 메탄(Methane) 가스, 수소(H2) 가스, 붕소 가스, 그 외 각종 불활성 기체가 포함될 수 있다.
이때, 메탄 가스와 수소 가스의 부피비는 0.1 내지 10 : 100 으로 마련될 수 있다.
또한, 상기 붕소 가스는 다이보레인(Diborane), 트리메틸 보레이트(Trimethyl borate, TMB), 트리에틸 보레이트(Triethyl borate, TEB), 그 외 붕소(B)가 함유된 각종 기체 화합물일 수 있다.
여기서, 붕소 가스의 주입량은 메탄 가스의 주입량에 대한 상대적 비율로 설정될 수 있으며, 이는 아보가드로 법칙에 근거한 붕소 가스 내 붕소 원자 개수와 메탄 가스 내 탄소 원자 개수비로도 표현될 수 있다. 일 예로, 증착 공정을 위한 전체 원료 가스 내에서 붕소와 탄소의 원자 개수 비가 0.05 내지 2 : 100 으로 마련되도록 붕소 가스와 메탄 가스의 주입 비율이 설정될 수 있다.
이때, 붕소 가스가 과다 주입되는 경우, 다이아몬드 증착층(200)에서 다이아몬드의 특성이 타 특성들에 비해 약화되고 후술할 붕소 특유의 전기 전도 특성 또한 약화될 수 있으므로, 바람직한 붕소 원자 개수 : 탄소 원자 개수 비는 0.05 내지 0.3 : 100 일 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.2 : 100 일 수 있다.
상술한 증착 공정이 진행됨으로써, 베이스 소재(100)의 외표면에 다이아몬드계 물질이 증착된 포커스 링(1000)이 제조될 수 있으며, 해당 포커스 링(1000)에는 다이아몬드 특유의 우수한 각종 물리/화학/광학적 물성이 반영되어, 포커스 링(1000)의 공정 성능 및 수명이 더욱 증진될 수 있게 된다.
게다가, 건식 식각 공정에서는 염소, 불소, 산소 등 각종 부식 인자들이 존재하나, 포커스 링(1000)에 강한 내부식성을 지닌 것으로 알려진 붕소 성분이 다이아몬드에 도핑됨으로써, 포커스 링(1000)에는 더욱 강한 내부식성 및 오염 입자 방지 효과가 제공될 수 있게 된다. 그리고, 상술한 포커스 링(1000)의 내부식성 증진 관련 효과들은 포커스 링(1000)의 수명과 건식 식각 공정에서의 플라즈마 밀도 균일성 증진 효과를 발생시키게 된다.
여기서, 다이아몬드 자체는 특유의 sp3 구조상 5.6eV 가량의 넓은 밴드 갭 에너지를 지녀 부도체 특성을 지니고 있으나, 붕소가 도핑됨으로써 전기 전도성을 지닐 수 있게 된다. 또한, 붕소에 기인한 전기 전도성은 붕소의 도핑 양이 적절히 조절됨에 따라 증가될 수 있다. 이와 같이 전기 전도성이 향상된 붕소 도핑 다이아몬드 증착층(200)은 특수한 반도체 공정 내지 각종 전극용 소재로 활용될 수 있어, 높은 활용성이 제공될 수 있게 된다.
이때, 도 2에는 다이아몬드 증착층(200)과 베이스 소재(100)가 상하로 도시된 포커스 링(1000)의 단면이 도시되어 있으나, 이는 설명을 위한 일 예일 뿐이다. 도시된 사항 외에도, 포커스 링(1000)의 구체적 사용 용도에 대응하여 다이아몬드 증착층(200)은 다양한 방식으로 베이스 소재(100)의 외표면에 증착될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 각 구체 실시예 및 관련 비교예들은 다음과 같다.
[실시예 1-1]
전술한 포커스 링 제조 방법에 따라 실시예 1-1에 의한 포커스 링(1000)이 제조되었으며, 그 세부 사항은 다음과 같다.
더 상세하게는, 먼저, 규소(Si)로 제조된 베이스 소재(100)가 마련되었다.
다음으로, 1차 세척 단계(S100)의 경우, 아세톤, 에탄올 및 증류수가 초음파 세척기에 의해 각기 10분간 교대로 분사됨으로써 상기 베이스 소재(100)가 세척되었다.
다음으로, 다이아몬드 분말 플라즈마 처리 단계(S200)의 경우, 평균 입자 크기가 35 nm 이고 오차 범위가 ±5 nm 인 나노 다이아몬드 분말이 사용되었다. 또한, 상기 나노 다이아몬드 분말을 대상으로 RFCVD 공법을 이용한 H2 플라즈마 처리가 수행되었으며, 그 세부 사항은 아래의 표 1과 같다.
| 구분 | 내용 |
| RF power [W] | 200 |
| H2 공급 유속 [sccm] | 200 |
| 압력 [Torr] | 2*10-2 |
| 공정 시간 [min] | 30 |
다음으로, 다이아몬드 분말 분산 단계(S300)의 경우, 상기 나노 다이아몬드 분말 5 g 이 에탄올 300 ml 에 첨가 및 교반되어 분말 현탁액이 제조되고, 상기 분말 현탁액이 초음파 세척기에 의해 베이스 소재(100)의 외표면에 도포됨으로써 수행되었다.
다음으로, 상술한 1차 세척 단계(S100)와 동일한 과정이 나노 다이아몬드 분말이 분산된 베이스 소재(100) 기판을 대상으로 수행됨으로써 2차 세척 단계(S400)가 진행되었다.
다음으로, 메탄 가스 및 수소 가스를 핵 생성 가스로 하여 HFCVD 공법이 수행됨으로써 다이아몬드 핵 생성 단계(S500)가 진행되었으며, 그 세부 사항은 아래의 표 2와 같다.
| 구분 | 내용 |
| 메탄 : 수소 부피비 | 1 : 100 |
| 인가 전압 [V] | 65 |
| 증착 압력 [Torr] | 24 |
| 필라멘트의 온도 [C°] | 2000 |
| 베이스 소재의 표면 온도 [C°] | 800 |
| 공정 시간 [min] | 10 |
그리고, 실시예 1-1에 의한 포커스 링은 다이아몬드 성장 단계(S600)가 진행되지 않은 것에 해당된다.
[실시예 1-2]
본 발명의 실시예 1-2에 따른 포커스 링(1000)의 경우, 실시예 1-1 대비 다이아몬드 핵 생성 단계(S500)에서의 HFCVD 공정 시간이 20분으로 설정된 것에 해당되며, 나머지 사항들은 상술한 실시예 1-1과 동일하다.
[실시예 1-3]
본 발명의 실시예 1-3에 따른 포커스 링(1000)의 경우, 실시예 1-1 대비 다이아몬드 핵 생성 단계(S500)에서의 HFCVD 공정 시간이 30분으로 설정된 것에 해당되며, 나머지 사항들은 상술한 실시예 1-1과 동일하다.
[비교예 1-1]
비교예 1-1에 따른 포커스 링(1000)의 경우, 실시예 1-1 대비 다이아몬드 분말 플라즈마 처리 단계(S200)가 수행되지 않은 것에 해당되며, 나머지 사항들은 상술한 실시예 1-1과 동일하다.
[비교예 1-2]
비교예 1-2에 따른 포커스 링(1000)의 경우, 실시예 1-2 대비 다이아몬드 분말 플라즈마 처리 단계(S200)가 수행되지 않은 것에 해당되며, 나머지 사항들은 상술한 실시예 1-2와 동일하다.
[비교예 1-3]
비교예 1-3에 따른 포커스 링(1000)의 경우, 실시예 1-3 대비 다이아몬드 분말 플라즈마 처리 단계(S200)가 수행되지 않은 것에 해당되며, 나머지 사항들은 상술한 실시예 1-3과 동일하다.
[실시예 2-1]
본 발명의 실시예 2-1에 따른 포커스 링(1000)은 전술한 실시예 1-1에 따른 포커스 링(1000)과 동일한 공정을 통해 제조된 것이나, 실시예 1-1 대비 다이아몬드 성장 단계(S600)까지 수행되어, 보다 완전한 형태의 다이아몬드 증착층(200)이 구비된 것에 해당된다.
더 상세하게는, 다이아몬드 증착층(200) 형성을 위한 원료 가스로서 메탄 가스 및 수소 가스에 다이보레인 가스가 추가적으로 활용되었으며, 그 세부 사항은 아래의 표 3과 같다. 여기서, 다이보레인 가스의 농도는 HFCVD 장치 내 다이아몬드 증착을 위한 모든 혼합 기체 양을 합산한 것을 기준으로 설정된 것이다.
| 구분 | 내용 |
| 메탄 : 수소 부피비 | 1 : 100 |
| 다이보레인 농도 [ppm] | 2.475 |
| 붕소 : 탄소 원자 개수 비 | 0.05 : 100 |
| 인가 전압 [V] | 65 |
| 증착 압력 [Torr] | 24 |
| 필라멘트의 온도 [C°] | 2000 |
| 베이스 소재의 표면 온도 [C°] | 800 |
| 공정 시간 [min] | 300 |
[실시예 2-2]
본 발명의 실시예 2-2에 따른 포커스 링(1000) 제조를 위해 다이아몬드 성장 단계(S600)에서의 다이보레인 농도가 4.95 ppm 으로 설정되었으며, 이는 실시예 2-1 대비 2배 증가된 양에 해당된다. 이에 따라, 본 실시예의 다이아몬드 성장 단계(S600)에서 붕소와 탄소간 원자 개수 비는 실시예 2-1 대비 2배 증가된 0.1 : 100 에 해당된다.
그리고, 본 실시예에 따른 포커스 링(1000) 제조를 위한 나머지 사항들은 상술한 실시예 2-1과 동일하다.
[실시예 2-3]
본 발명의 실시예 2-3에 따른 포커스 링(1000) 제조를 위해 다이아몬드 성장 단계(S600)에서의 다이보레인 농도가 9.9 ppm 으로 설정되었으며, 이는 실시예 2-1 대비 4배 증가된 양에 해당된다. 이에 따라, 본 실시예의 다이아몬드 성장 단계(S600)에서 붕소와 탄소간 원자 개수 비는 실시예 2-1 대비 4배 증가된 0.2 : 100 에 해당된다.
그리고, 본 실시예에 따른 포커스 링(1000) 제조를 위한 나머지 사항들은 상술한 실시예 2-1과 동일하다.
[실시예 2-4]
본 발명의 실시예 2-4에 따른 포커스 링(1000) 제조를 위해 다이아몬드 성장 단계(S600)에서의 다이보레인 농도가 19.8 ppm 으로 설정되었으며, 이는 실시예 2-1 대비 8배 증가된 양에 해당된다. 이에 따라, 본 실시예의 다이아몬드 성장 단계(S600)에서 붕소와 탄소간 원자 개수 비는 실시예 2-1 대비 8배 증가된 0.4 : 100 에 해당된다.
그리고, 본 실시예에 따른 포커스 링(1000) 제조를 위한 나머지 사항들은 상술한 실시예 2-1과 동일하다.
[실시예 2-5]
본 발명의 실시예 2-5에 따른 포커스 링(1000) 제조를 위해 다이아몬드 성장 단계(S600)에서의 다이보레인 농도가 29.7 ppm 으로 설정되었으며, 이는 실시예 2-1 대비 12배 증가된 양에 해당된다. 이에 따라, 본 실시예의 다이아몬드 성장 단계(S600)에서 붕소와 탄소간 원자 개수 비는 실시예 2-1 대비 12배 증가된 0.6 : 100 에 해당된다.
그리고, 본 실시예에 따른 포커스 링(1000) 제조를 위한 나머지 사항들은 상술한 실시예 2-1과 동일하다.
[실시예 2-6]
본 발명의 실시예 2-6에 따른 포커스 링(1000) 제조를 위해 다이아몬드 성장 단계(S600)에서의 다이보레인 농도가 39.6 ppm 으로 설정되었으며, 이는 실시예 2-1 대비 16배 증가된 양에 해당된다. 이에 따라, 본 실시예의 다이아몬드 성장 단계(S600)에서 붕소와 탄소간 원자 개수 비는 실시예 2-1 대비 16배 증가된 0.8 : 100 에 해당된다.
그리고, 본 실시예에 따른 포커스 링(1000) 제조를 위한 나머지 사항들은 상술한 실시예 2-1과 동일하다.
[비교예 2]
비교예 2에 따른 포커스 링(1000) 제조를 위하여, 다이아몬드 성장 단계(S600)에서는 원료 가스로서 메탄 가스 및 수소 가스만이 활용되고, 다이보레인 등 다른 붕소 가스는 활용되지 않았다. 즉, 비교예 2에 따른 포커스 링(1000)에서의 다이아몬드 증착층(200)은 일반적인 다이아몬드로서 제조된 것이다.
그리고, 본 비교예에 따른 포커스 링(1000) 제조를 위한 나머지 사항들은 상술한 실시예 2-1과 동일하다.
덧붙여, 상술한 각 실시예 및 각 비교예의 주요 요약 사항들은 아래의 표 4 및 표 5와 같다.
| 구분 | 메탄 : 수소 부피비 | 증착 공정 시간 [min] | 나노 다이아몬드 분말에 플라즈마 처리 여부 |
| 실시예 1-1 | 1 : 100 | 10 | O |
| 실시예 1-2 | 1 : 100 | 20 | O |
| 실시예 1-3 | 1 : 100 | 30 | O |
| 비교예 1-1 | 1 : 100 | 10 | X |
| 비교예 1-2 | 1 : 100 | 20 | X |
| 비교예 1-3 | 1 : 100 | 30 | X |
| 구분 | 메탄 : 수소 부피비 | 다이보레인 농도 [ppm] |
붕소 : 탄소 원자 개수 비 |
| 실시예 2-1 | 1 : 100 | 2.475 | 0.05 : 100 |
| 실시예 2-2 | 1 : 100 | 4.95 | 0.1 : 100 |
| 실시예 2-3 | 1 : 100 | 9.9 | 0.2 : 100 |
| 실시예 2-4 | 1 : 100 | 19.8 | 0.4 : 100 |
| 실시예 2-5 | 1 : 100 | 29.7 | 0.6 : 100 |
| 실시예 2-6 | 1 : 100 | 39.6 | 0.8 : 100 |
| 비교예 2 | 1 : 100 | 0 | - |
그리고, 상술한 각 실시예 및 비교예를 대상으로 한 각종 시험 결과는 다음과 같다.
[시험예 1]
도 3a는 비교예 1-1에 의한 다이아몬드 핵의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다. 그리고, 도 3b는 비교예 1-2에 의한 다이아몬드 핵의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다. 그리고, 도 3c는 비교예 1-3에 의한 다이아몬드 핵의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
그리고, 도 4a는 본 발명의 실시예 1-1에 의한 다이아몬드 핵의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다. 그리고, 도 4b는 본 발명의 실시예 1-2에 의한 다이아몬드 핵의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다. 그리고, 도 4c는 본 발명의 실시예 1-3에 의한 다이아몬드 핵의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 3a 내지 도 3c 및 도 4a 내지 도 4c를 더 참조하면, 실시예 1-1 내지 실시예 1-3 및 비교예 1-1 내지 비교예 1-3 각각에 의한 조성물의 상부 표면이 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)에 의해 촬영되었으며, 이를 통해 언급된 각 시험 대상별 다이아몬드 핵의 생성 수율이 확인되었다.
더 상세하게는, 언급된 각 실시예 군 및 각 비교예 군에서 다이아몬드 핵 생성 단계(S500)의 공정 시간과 다이아몬드 핵 생성 밀도는 비례하는 것으로 파악되었다.
또한, 다이아몬드 분말 플라즈마 처리 단계(S200)가 수행된 실시예들은 다이아몬드 분말 플라즈마 처리 단계(S200)가 수행되지 않은 비교예 대비 다이아몬드 핵 생성 밀도와 수율 뿐만이 아닌, 분산도 또한 월등히 높은 것으로 확인된다.
즉, 다이아몬드 증착의 시드가 되는 나노 다이아몬드 분말에 플라즈마 처리가 수행되는 경우, 나노 다이아몬드 분말의 응집성이 약화되어, 이에 따라 다이아몬드 증착층(200)으로의 확장을 위한 분산 효과가 크게 향상됨으로써, 다이아몬드 핵 및 최종 생성물 관련 생산 수율이 크게 증진되는 것으로 분석된다.
[시험예 2-1]
도 5a는 본 발명의 비교예 2에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다. 그리고, 도 5b는 본 발명의 실시예 2-1에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다. 그리고, 도 5c는 본 발명의 실시예 2-2에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다. 그리고, 도 5d는 본 발명의 실시예 2-3에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다. 그리고, 도 5e는 본 발명의 실시예 2-4에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다. 그리고, 도 5f는 본 발명의 실시예 2-5에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다. 그리고, 도 5g는 본 발명의 실시예 2-6에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 상부 표면을 나타내는 현미경 촬영 사진이다.
도 5a 내지 도 5g를 더 참조하면, 실시예 2-1 내지 실시예 2-6 및 비교예 2 각각에 의한 포커스 링(1000)의 상부 표면 형상이 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)에 의해 촬영되었으며, 이를 통해 언급된 각 시험 대상의 상부 표면 형상이 세밀하게 관찰되었다.
더 상세하게는, 언급된 모든 시험 대상에서 다이아몬드 박막이 Si 기판인 베이스 소재(100)의 표면에 균일하게 증착된 것으로 확인된다.
이때, 붕소 계열 소재가 활용되지 않은 비교예 2가 가장 일반적인 다이아몬드 박막과 유사한 형상을 지닌 것으로 확인되며, 붕소 함량 비율이 증가할수록 다이아몬드 박막의 크기가 감소되는 것으로 확인된다. 여기서, 실시예 2-1 내지 실시예 2-3 까지는 다이아몬드 박막 특유의 다각형 형상이 비교적 잘 유지되는 것으로 확인되었다.
다만, 실시예 2-4 내지 실시예 2-6과 같이, 붕소와 탄소의 원자 개수 비가 0.2 : 100 을 초과하는 경우, 다이아몬드 박막의 입자 크기가 급격히 감소되고 입자가 다소 뭉툭한 형상을 갖게 되는 것으로 확인된다. 이는, 붕소 함량이 임계치 이상으로 증가함에 따라 붕소 원소가 다이아몬드의 분자 구조 내측으로 치환되지 못하고 다이아몬드 분자 구조의 경계층에 축적되어, 이로 인해 비-다이아몬드성을 지니는 카본 박막의 비중이 더 증가된 것으로 분석된다.
[시험예 2-2]
도 6a는 본 발명의 비교예 2에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다. 그리고, 도 6b는 본 발명의 실시예 2-1에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다. 그리고, 도 6c는 본 발명의 실시예 2-2에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다. 그리고, 도 6d는 본 발명의 실시예 2-3에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다. 그리고, 도 6e는 본 발명의 실시예 2-4에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다. 그리고, 도 6f는 본 발명의 실시예 2-5에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다. 그리고, 도 6g는 본 발명의 실시예 2-6에 의한 포커스 링의 다이아몬드 증착층의 두께를 나타내는 현미경 사진이다.
그리고, 도 7은 본 발명의 주요 실시예 및 비교예별 다이아몬드 증착층의 증착 속도를 나타내는 그래프이다.
도 6a 내지 도 6g를 더 참조하면, 실시예 2-1 내지 실시예 2-6 및 비교예 2 각각에 의한 포커스 링(1000)의 적층 구조를 나타내는 측면 형상이 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)에 의해 촬영되었으며, 이를 통해 언급된 각 시험 대상의 두께 부분 형상이 세밀하게 관찰되었다. 또한, 언급된 각 시험 대상별 다이아몬드 증착층(200)의 두께 측정치는 아래의 표 6과 같다.
| 구분 | 다이아몬드 증착층의 두께 [μm] |
| 실시예 2-1 | 2.6 |
| 실시예 2-2 | 2.5 |
| 실시예 2-3 | 1.6 |
| 실시예 2-4 | 1.3 |
| 실시예 2-5 | 1.0 |
| 실시예 2-6 | 0.8 |
| 비교예 2 | 3.6 |
더 상세하게는, 언급된 모든 시험 대상에서 붕소의 함량 비율과 다이아몬드 증착층(200)의 두께는 반비례하는 것으로 확인되었으며, 바꿔 말해 붕소의 함량 비율과 다이아몬드 증착률은 반비례하는 것으로 이해될 수 있다.
그리고, 언급된 모든 시험 대상에서 일종의 컬럼 형태의 다이아몬드 층 성장이 진행된 것으로 확인되었으며, 이는 마이크로 다이아몬드의 형성 거동과 동일한 것이다. 이와 같이, 나노 다이아몬드 분말을 증착 시드로 하여, 최종적으로 마이크로 스케일의 다이아몬드 증착층(200)이 원활히 형성될 수 있음이 확인되었다.
따라서, 본 발명의 다이아몬드 분말 플라즈마 처리 단계(S200)가 다이아몬드 분말의 응집성과 증착 효율의 상관성 측면에서 상당히 유리한 효과를 발생시킬 뿐 아니라, 최종적으로 나노 다이아몬드 대비 각종 물성이 우수한 마이크로 다이아몬드를 생성시키는데도 탁월한 것으로 분석된다.
덧붙여, 도 7을 더 참조하면, 상술한 측면 SEM 이미지를 바탕으로 언급된 각 시험 대상별 다이아몬드 증착층(200)의 증착 속도가 산출되었으며, 이를 통해 붕소의 함량 비율과 다이아몬드 증착층(200) 증착 속도 또한 반비례하는 것으로 확인되었다.
[시험예 2-3]
도 8은 본 발명의 주요 실시예 및 비교예별 다이아몬드 증착층의 라만 분광 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8을 더 참조하면, 실시예 2-1 내지 실시예 2-6 및 비교예 2 각각에 의한 포커스 링(1000)을 대상으로 라만 분광 분석(Raman spectroscopy)이 수행되었다.
더 상세하게는, 붕소의 함량이 낮을수록 1332cm-1 피크의 강도가 높게 나타나고, 붕소의 함량이 증가할수록 1332cm-1 피크의 강도는 낮아지는 대신 상대적으로 1560cm-1 피크의 강도가 높아지는 것으로 확인되었다. 여기서, 1332cm-1 피크는 마이크로 다이아몬드에서 전형적으로 나타내는 피크이다. 그리고, 1560cm-1 피크는 비정질 탄소 등과 같은 불순물에 해당되는 피크로, 해당 피크가 높을 경우 다이아몬드 고유의 특성이 감소된다.
또한, 붕소 함량 비율이 증가할수록 1332cm-1 피크와 같은 다이아몬드 관련 피크는 점차 좌측으로 쉬프트되는 것으로 확인된다. 여기서, 실시예 2-4부터 1332cm-1 피크와 1560cm-1 피크 사이의 강도 편차가 급격히 감소되는 것으로 측정되었다.
따라서, 해당 시험 대상들을 기준으로, 실시예 2-4에 대응되는 붕소 함량 비율이 다이아몬드의 지배적 특성이 타 특성들에 비해 약화되는 시작점인 것으로 분석된다.
[시험예 2-4]
도 9는 본 발명의 주요 실시예 및 비교예별 다이아몬드 증착층의 X선 회절 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9를 더 참조하면, 실시예 2-1 내지 실시예 2-6 및 비교예 2 각각에 의한 포커스 링(1000)을 대상으로 X선 회절 분석(X-Ray Diffraction, XRD)이 수행되었다.
더 상세하게는, 붕소의 함량이 낮을수록 2θ=43° 피크와 2θ=75° 피크의 강도가 높게 나타나고, 2θ=58° 부근의 피크의 강도가 낮게 나타나는 것으로 확인되었다. 여기서, 2θ=43° 피크는 다이아몬드의 (111)면에 대한 피크이고, 2θ=75° 피크는 다이아몬드의 (220)면에 대한 피크이다. 그리고, 2θ=58° 부근의 피크는 탄화 규소의 (311)면에 대한 피크로, 이는 베이스 소재(100)의 재료인 규소에 기인한 것으로 파악된다.
즉, 상술한 XRD 분석을 통해, 붕소 함량 비율이 높을수록 다이아몬드 관련 특성은 낮게 나타나고, 베이스 소재(100) 등 다른 재료의 물성이 높게 나타나는 것으로 다시금 확인되었다. 또한, Si와 같은 베이스 소재(100)의 피크가 높게 검출된다는 것은, 그만큼 다이아몬드 증착층(200)에 함몰 내지 타공 구조의 비증착 구간이 존재한다는 것으로도 이해될 수 있다.
이때, 실시예 2-4를 기점으로 다이아몬드 관련 피크의 강도가 급격히 감소되고, 실시예 2-5부터는 규소 관련 피크의 강도가 다이아몬드 관련 피크의 강도보다 더 높게 나타나는 것으로 확인된다. 따라서, 상술한 시험예 2-3과 마찬가지로, 실시예 2-4에 대응되는 붕소 함량 비율이 다이아몬드의 지배적 특성이 타 특성들에 비해 약화되는 시작점인 것으로 분석된다.
[시험예 2-5]
도 10은 본 발명의 주요 실시예 및 비교예별 다이아몬드 증착층의 비저항 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10을 더 참조하면, 실시예 2-1 내지 실시예 2-6 및 비교예 2 각각에 의한 포커스 링(1000)을 대상으로 비저항 측정 시험이 수행되었으며, 이에 대한 주요 결과 데이터들은 아래의 표 7과 같다.
| 구분 | 비저항 값 [Ω/cm2] |
| 실시예 2-2 | 1.2 |
| 실시예 2-3 | 0.6 |
| 실시예 2-4 | 0.9 |
| 비교예 2 | ∞ |
더 상세하게는, 비교예 2에 따른 다이아몬드 증착층(200)은 일반적인 다이아몬드와 같이 5.6eV 가량의 넓은 밴드 갭 에너지를 지녀 부도체 특성을 지니는 관계로, 무한대에 수렴하는 비저항 값을 지닌 것으로 측정되었다.
반면, 붕소 함량 비율이 증가할수록 비저항 수치가 급격히 감소되는 추세가 확인되었으며, 특히 실시예 2-3에서 가장 낮은 비저항 값이 측정되었다.
그러나, 붕소 함량 비율이 실시예 2-3의 값을 초과하는 경우, 비저항 수치는 다시금 증가하는 것으로 확인된다. 따라서, 전기 전도성 측면에서 언급된 시험 대상들 중 실시예 2-3이 가장 우수한 것으로 확인된다.
[시험예 2-6]
도 11은 본 발명의 주요 실시예 및 비교예별 다이아몬드 증착층의 순환 전압 전류법 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 111을 더 참조하면, 실시예 2-1 내지 실시예 2-6 및 비교예 2 각각에 의한 포커스 링(1000)을 대상으로 순환 전압 전류법 분석이 수행되었다.
더 상세하게는, 비교예 2에 의한 다이아몬드 증착층(200)의 경우 부도체 성질을 나타내는 일반 다이아몬드 특성에 기인하여, 인가 전압이 다양하게 가변되더라도 전류 흐름의 변화는 0을 나타내는 것으로 확인되었다.
반면, 붕소의 함량 비율이 증가할수록 전기적 일률에 대응되는 CV 곡선(Cyclic Voltammetry Curve)의 면적이 증가하는 추세가 확인되었다. 특히, 실시예 2-3에서 가장 넓은 면적의 CV 곡선이 산출되어, 이때의 전기 전도도 및 산화/환원성이 가장 높은 것으로 분석된다.
그러나, 붕소 함량 비율이 실시예 2-3의 값을 초과하는 경우, CV 곡선의 면적이 감소 추세로 전환되는 것으로 확인된다. 따라서, 전기 전도성 및 산화/환원성 측면에서 언급된 시험 대상들 중 실시예 2-3이 가장 우수한 것으로 확인된다.
[시험예 2-7]
도 12는 본 발명의 주요 실시예 및 비교예별 다이아몬드 증착층의 홀 효과 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12를 더 참조하면, 실시예 2-1 내지 실시예 2-6 및 비교예 2 각각에 의한 포커스 링(1000)을 대상으로 홀 효과 측정 시험이 수행되었다.
더 상세하게는, 비교예 2에 의한 다이아몬드 증착층(200)의 경우 부도체 성질을 나타내는 일반 다이아몬드 특성에 기인하여, 부도체와 마찬가지로 극히 낮은 홀 이동도 및 홀 계수가 측정되었다.
반면, 붕소의 함량 비율이 증가할수록 홀 이동도 및 홀 계수가 증가하는 추세가 확인되었다. 특히, 실시예 2-3에서 가장 높은 홀 이동도 및 홀 계수가 측정되어, 이때의 전기 전도 특성이 가장 높은 것으로 분석된다.
그러나, 붕소 함량 비율이 실시예 2-3의 값을 초과하는 경우, 홀 이동도 및 홀 계수가 감소 추세로 전환되는 것으로 확인된다. 따라서, 전기 전도성 측면에서 언급된 시험 대상들 중 실시예 2-3이 가장 우수한 것으로 확인된다.
상술한 시험 결과들을 종합하면, 시험예 2-1 내지 시험예 2-4를 통해, 붕소 도핑 다이아몬드에서 다이아몬드의 구조 관련 지배적 특성을 상실하지 않는 임계점은 실시예 2-3에 대응되는 다이아몬드 증착층(200)인 것으로 확인되었다. 즉, 실시예 2-3에 대응되는 붕소 도핑 함량비가 다이아몬드의 구조 관련 지배적 특성을 최대한 유지할 수 있는 임계점인 것으로 분석된다.
반면, 실시예 2-3에 대응되는 붕소 함량 비율이 초과된 붕소 도핑 다이아몬드의 경우, 다이아몬드 고유의 구조적 특성보다 베이스 소재(100)나 다른 탄소계 화합물 등 타 물질들의 특성이 더 크게 나타나는 것으로 확인되었다.
그리고, 시험예 2-5 내지 시험예 2-7을 통해, 다이아몬드 증착층(200)에 붕소가 도핑될수록 전기 전도성이 증가하는 것으로 확인되었으며, 그 최대점은 실시예 2-3에 대응되는 붕소 도핑 함량비인 것으로 분석되었다. 다만, 실시예 2-3에 대응되는 붕소 함량비를 초과하여 제작된 붕소 도핑 다이아몬드의 경우, 오히려 전기 전도성이 낮아지는 것으로 확인된다.
따라서, 실시예 2-3에 대응되는 붕소 도핑된 다이아몬드 증착층(200)이 다이아몬드의 구조 관련 특성을 최대한 유지하면서도, 가장 높은 전기 전도성을 지닌 것으로 최종 분석되었다.
덧붙여, 포커스 링(1000)이 활용되는 공정 환경에 따라, 붕소가 도핑되어 높은 전기 전도성을 지닌 다이아몬드 증착층(200)이 선택적으로 제조 및 적용될 수 있고, 또는 부도체에 가까운 일반적인 다이아몬드에 해당되는 다이아몬드 증착층(200)이 선택적으로 제조 및 적용될 수 있는 등 상술한 포커스 링(1000)의 제조 및 적용 형태는 다양하게 가변될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 포커스 링 및 그 제조 방법을 제공하고자 하는 것을 주요한 기술적 사상으로 하고 있으며, 도면을 참고하여 상술한 실시 예는 단지 하나의 실시 예에 불과하고, 본 발명의 권리 범위는 특허 청구범위 뿐만이 아닌, 다양하게 존재할 수 있는 균등한 실시 예에도 미친다 할 것이다.
1000 : 본 발명에 의한 포커스 링
100 : 베이스 소재
200 : 다이아몬드 증착층
100 : 베이스 소재
200 : 다이아몬드 증착층
Claims (16)
- 베이스 소재의 외표면 중 적어도 일부에 다이아몬드 분말이 분산되는 다이아몬드 분말 분산 단계;
상기 다이아몬드 분말을 시드로 하여, 상기 베이스 소재의 외표면에 다이아몬드 핵이 생성되는 다이아몬드 핵 생성 단계; 및
상기 다이아몬드 핵을 시드로 하여, 다이아몬드 증착층이 상기 베이스 소재의 외표면 중 적어도 일부에 성장 및 형성되는 다이아몬드 성장 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포커스 링 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 다이아몬드 분말은,
나노 다이아몬드 분말인 것을 특징으로 하는 포커스 링 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서,
상기 다이아몬드 분말은,
RFCVD(Radio Frequency Chemical Vapor Deposition) 공법을 통해 H2 플라즈마 처리된 것을 특징으로 하는 포커스 링 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 다이아몬드 성장 단계는,
메탄 가스 및 수소 가스가 포함되는 원료 가스를 이용한 HFCVD(Hot Filament Chemical Vapor Deposition) 공법을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 포커스 링 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 다이아몬드 성장 단계는,
상기 메탄 가스와 상기 수소 가스의 부피비가 0.1 내지 10 : 100 인 것을 특징으로 하는 포커스 링 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,
상기 원료 가스는,
붕소 가스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포커스 링 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 붕소 가스는,
다이보레인(Diborane), 트리메틸 보레이트(Trimethyl borate, TMB) 및 트리에틸 보레이트(Triethyl borate, TEB)를 포함하는 군에서 선택되는 적어도 한 종인 것을 특징으로 하는 포커스 링 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 다이아몬드 성장 단계는,
붕소의 원자 개수와 탄소의 원자 개수 비가 0.05 내지 2 : 100 으로 마련되도록, 상기 메탄 가스와 상기 붕소 가스가 주입됨으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 포커스 링 제조 방법.
- 베이스 소재; 및
상기 베이스 소재의 외표면 중 적어도 일부에 증착된 다이아몬드 증착층을 포함하는 것을 특징으로 하는 포커스 링.
- 제 9 항에 있어서,
상기 다이아몬드 증착층은,
소정의 붕소가 도핑된 것을 특징으로 하는 포커스 링.
- 제 10 항에 있어서,
상기 다이아몬드 증착층은,
붕소의 원자 개수와 탄소의 원자 개수 비가 0.05 내지 2 : 100 으로 마련된 것을 특징으로 하는 포커스 링.
- 제 10 항에 있어서,
상기 다이아몬드 증착층은,
다이아몬드의 (111) 면 및 (220) 면을 갖는 것을 특징으로 하는 포커스 링.
- 제 12 항에 있어서,
상기 다이아몬드 증착층은,
X선 회절 분석(X-Ray Diffraction)이 수행되는 경우, 상기 다이아몬드의 (111) 면 및 (220) 면의 피크 중 적어도 어느 하나가 가장 높게 나타나는 것을 특징으로 하는 포커스 링.
- 제 10 항에 있어서,
상기 다이아몬드 증착층은,
라만 분광 분석(Raman spectroscopy)이 수행되는 경우, 마이크로 다이아몬드의 피크가 가장 높게 나타나는 것을 특징으로 하는 포커스 링.
- 제 10 항에 있어서,
상기 다이아몬드 증착층은,
비저항값이 0.9 Ω/cm2 내지 1.2 Ω/cm2 인 것을 특징으로 하는 포커스 링.
- 제 15 항에 있어서,
상기 다이아몬드 증착층은,
홀 이동도가 38 cm2/V·s 내지 142.7 cm2/V·s 이고, 홀 계수는 3.3·10-2 m2/C 내지 7.5·10-2 m2/C 인 것을 특징으로 하는 포커스 링.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180071809A (ko) | 2016-12-20 | 2018-06-28 | 주식회사 티씨케이 | 분리용 박막층 및 슬릿 홈을 포함하는 SiC 포커스링 제조방법 및 그에 이용가능한 모재 |
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2022
- 2022-07-29 KR KR1020220094986A patent/KR20240016789A/ko unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180071809A (ko) | 2016-12-20 | 2018-06-28 | 주식회사 티씨케이 | 분리용 박막층 및 슬릿 홈을 포함하는 SiC 포커스링 제조방법 및 그에 이용가능한 모재 |
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