Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition(MPCVD)를

이용한 다이아몬드 박막 증착

원종각, 김종성, 홍근조*, 권상직*

경원대학교 화학공학과, 경원대학교 전기전자공학과*

Diamond Thin Film Deposition by Microwave Plasma Chemical

Vapor Deposition(MPCVD)

Jongkak Won, Jongsung Kim, Kunjo Hong*, Sangjik Kwon*

Department of Chemical Engineering, Kyungwon University,

Department of Electrical and Electronic Engineering, Kyungwon University*

서론

최근 화학증착법에 의한 다이아몬드 박막 형성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 다이아몬드는 넓은 band gap, 높은 파괴 전장, 높은 열전도도, radiation hardness 등을 가지고 있어1), 절삭공구의 코팅, 우주선창, 고출력 전자제품의 heat sink등 사용영역이 점차 늘어나고 있다2).

다이아몬드 박막을 성장시키기 위한 기술로는, DC plasma 또는 RF plasma를 이용한 화학증착법, hot filament 화학증착법(HFCVD), microwave plasma 화학증착법(MPCVD) 및 electron cyclotron resonace plasma 화학증착법(ECR CVD) 등이 있다3).

이 중에서 microwave plasma를 이용한 MPCVD 방법은 보다 낮은 증착 온도에서 양질의 다이아몬드 박막을 형성할 뿐만 아니라, 다른 CVD 장비와 비교하여, 제조 방법이 간단하고 반응기 안에서 전극이 없어 그로 인한 오염문제가 없어, 다이아몬드 박막 제조에 많이 응용되고 있다. 본 연구에서는 CH4와 H2 gas를 사용하여 MPCVD법으로 다이아몬드 박막을 형성하였고, 전처리 공정, Plasma Power 및 증착 시간을 공정변수로 하여 박막 구조특성을 조사하였다.

실험방법

본 실험에 사용된 MPCVD 장치의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 반응기에 주입된 기체들이 microwave에 의해 plasma 상태로 활성화되어 기판 위에서 화학적 반응을 통하여 박막을 형성하게 된다4).

본 실험에서는 Si 기판(1□*1□)을 TCE, 아세톤, 메탄올, 에탄올 순으로 각각 20분씩 세척한 후 건조하여 사용하였다. Ultrasonification 방법으로 에탄올과 적정량의 다이아몬드 powder를 혼합한 용액이 든 비이커에 준비된 실리콘 기판을 넣고 ultrasonic bath에서 약 1시간동안 seeding 작업을 하였다. N2 gas로 건조시킨 후 광학현미경으로 부착된 다이아몬드 seed를 확인하였다

메탄의 양을 2sccm, 수소의 양을 100sccm으로, 메탄의 비율을 2%로 하고 reactor 내부의 압력을 30torr로 고정하였다. microwave power를 300W, 500W, 700W, 900W으로 각각 변화시키면서 증착시간을 2시간, 5시간으로 하여 다이아몬드 박막을 제조하였다. 전자현미경(SEM) 사진에 의해 다이아몬드 박막표면 구조 관찰 및 증착율을 구하였고 Raman spectroscopy 분석을 통해 증착된 결정의 구조를 관찰하였다.

Fig. 1. The diagram of the MPCVD system

결과 및 고찰

Fig. 2는 microwave generator에 공급되는 power를 달리하면서 2시간 동안 증착된 다이아몬드 박막의 전자현미경 사진이다. 900W에서만 다이아몬드의 성질에 가까운 cube 형태의 결정이 형성되어있고, 이보다 낮은 power에서는 결정이 형성되지 않거나, octahedron 형태의 결정이 형성됨을 알 수 있다.

a) 300W                        b) 500W

c) 700W                       d) 900W

Fig. 2. SEM micrographs of diamond films grown for 2hrs

Fig. 3은 5시간 동안 증착된 다이아몬드 박막의 전자현미경 사진이다. 300W의 power에서 성장된 박막은 octahedron 형태의 결정 성장이 이루어졌지만, 700W 이상의 power에서 성장된 박막은 cube 형태의 결정 성장이 이루어짐을 확인할 수 있다. 또한 power가 높아질수록 다이아몬드의 grain 크기가 증가하여 조밀해짐을 알 수 있다.

a) 300W                     b) 500W

c) 700W                      d) 900W

Fig. 3. SEM micrographs of diamond films grown for 5hrs

Fig. 4는 Microwave Power에 따른 다이아몬드 증착율의 변화를 보여준다. 박막의 단면 높이를 전자현미경 사진으로 측정하여 박막의 평균 증착율을 산출하였다. 그림에서와 같이 power의 증가에 따라 증착율이 증가하는 것을 볼 수 있는데 이는 power 증가로 인한 기판의 온도 상승으로 다이아몬드 성장 표면의 dangling bond와 결합하고 있는 수소가 더 많이 활성화되어 결국 증착을 위한 빈자리가 많아졌고, plasma의 밀도가 높아져 메탄을 보다 더 많이 분해하여 탄화수소를 만들게 되어 증착에 참여하는 반응이 많아졌다고 사료된다.

Fig. 4. The growth rate of diamond of film as a function of microwave power

Fig. 5는 microwave power 따른 다이아몬드 박막의 Raman spectrum의 변화를 보여준다. Seed로 사용된 다이아몬드 powder와 비교할 때 낮은 power에서 증착된 다이아몬드 박막의 경우 1332cm-1에서 나타나는 다이아몬드 peak 이외에 1500cm-1 근처에 비정질 탄소나 흑연상에 의한 broad peak를 볼 수 있다. 그러나 power가 증가할수록 비정질 탄소나 흑연상에 의한 broad peak가 많이 감소하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 높은 power에 의해 plasma의 밀도가 증가하게 되어 그만큼 비정질 탄소나 흑연을 에칭할 수 있는 수소 gas를 더 많이 해리시켰기 때문이다. 따라서 보다 순수한 다이아몬드 박막을 제조하기 위해선 높은 power에서 다이아몬드를 증착시키는 것이 좋다는 것을 확인 할 수 있다.

Fig. 5.  Raman spectra of diamond films with various microwave powers

결론

본 연구에서는 External tuning 방식의 MPCVD 장비를 이용하여 다이아몬드 박막을 형성시키고 그 구조를 분석하였다. microwave power를 바꾸어가며 다이아몬드를 증착시킨 결과 낮은 power에서는 octahedron 구조의 다이아몬드가 형성되었으며, 높은 power에서는 cube 구조의 다이아몬드가 형성됨을 알 수 있었다. 또한 증착시간이 증가할수록 결정이 성장되어 조밀해짐을 확인할 수 있었다. 또한 raman spectroscopy로 여러 microwave power에서 형성된 다이아몬드의 quality를 분석한 결과, 높은 power에서 양질의 다이아몬드가 형성됨을 볼 수 있었다.

참고문헌

1) M. Hocking, V. Vasantasree and P. Sidky, Longman Scientific & Technical,         London 161(1989)

2) NEWS ITEMS in int. J. of Refractory Metals and Hard Materials, 1993, 1994, 12,     379

3) Diamond and Diamond-like Films and Cootings. ed. R.I Clansing. L.L. Horton.       J.C. Angus and P. Koidl. Plenum Press. New York(1991)

4) M. Kamo, Y. Sato, S. Matsumoto and N. Setaka, J. Crystal Growth, 62,642(1983)