[논문 리뷰] Deposition Chamber Pressure on the Morphology-Structure of Carbon Films

Mubarak Ali, Mustafa Ürgen|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 29.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 25인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 핫필라멘트 화학적 기체화학적 증착 시스템에서 캐비티 압력이 탄소 필름의 형태, 구조 및 성장 속도에 미치는 영향을 조사한다. 3.3 kPa에서 14 kPa로 압력을 변화시킴으로써, 중간 압력 범위(8.6 kPa 이하)에서는 다이아몬드 상 탄소 형성과 필름 성장 속도가 향상되며, 높은 압력에서는 그래파이트 상 형성이 유리해지고 성장 속도가 감소하는 것으로 나타났다. 이는 기체상 반응과 기판 표면에서의 에너지 전달 방식의 변화 때문이었다.

ABSTRACT

Depositing thin and thick films by different coating technology units is the beauty of deposition technology where every synthesis deals the chamber pressure. In hot-filaments reactor, chamber also deals heat and photon energy in addition to pressure settling into the available mass. Temperature of the substrate material and hot-filaments under fixed input power vary as per residence time of entered dissociating CH4 and H2 gases under set flow rates. Rates of dissociating entered gases and conversion rate of gas state carbon atoms into graphite and diamond states carbon atoms vary largely under the varying chamber pressure which influence the deposition of their carbon films in terms of quality and growth rate. The increase in the chamber pressure from 3.3 kPa to 14 kPa influences the morphology of carbon films comprising tiny grains, grains and particles. The increase in the chamber pressure upto 8.6 kPa increases the growth rate of a carbon film along with discernible features of grains and particles. In the range of different intermediate chamber pressures, gas state carbon atoms are converted into diamond state carbon atoms at high rate. In the range of high pressures, gaseous carbon atoms converted to graphite state in a large number. Here, a low growth rate of the films is obtained. For different chamber pressures, typical energies arriving at substrate surface involved the different rate as influenced by the gas collisions developing carbon films of different featured grains and particles. Deposited carbon films are investigated under the investigation of original line of experimental results opening abundant avenues of materials research.

연구 동기 및 목표

• 핫필라멘트 CVD를 통해 증착된 탄소 필름의 형태 및 구조 상에 미치는 캐비티 압력의 영향을 규명하는 것.
• 다이아몬드 상 탄소 형성과 필름 성장 속도를 최대화하는 압력 범위를 특정하는 것.
• 기체상 충돌 및 기판 표면에서의 에너지 전달 방식이 압력에 따라 어떻게 변화하는지 분석하여 필름 미세구조에 미치는 영향를 규명하는 것.
• 압력에 따라 달라지는 기체 분해 속도와 기체 상태 탄소 원자가 그래파이트 또는 다이아몬드 상으로 전환되는 과정을 연관시키는 것.
• 맞춤형 탄소 필름 성질을 얻기 위한 증착 조건 최적화를 위한 실험적 통찰을 제공하는 것.

제안 방법

• 제어된 캐비티 압력을 갖춘 핫필라멘트 화학적 기체화학적 증착(HFCVD) 반응기에서 두꺼운 및 얇은 탄소 필름을 증착하는 것.
• CH4 및 H2의 유량과 입력 전력을 일정하게 유지하면서 캐비티 압력을 3.3 kPa에서 14 kPa로 변화시키는 것.
• 기체 체류 시간과 압력에 따른 기판 및 필라멘트 온도를 모니터링하여 열적 및 에너제틱 조건를 평가하는 것.
• 다양한 압력 조건에서 기체상 분해 속도와 기체 상태 탄소 원자가 그래파이트 또는 다이아몬드 상으로 전환되는 비율을 분석하는 것.
• 실험 데이터를 바탕으로 기판에서의 기체 충돌 및 에너지 플럭스 변화가 필름 형태 및 성장 속도에 미치는 영향을 연관시키는 것.
• 실험 결과를 직접 분석하여 필름의 구조 및 입자 특징을 조사하고, 압력에 따른 미세구조적 경향을 규명하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 핫필라멘트 CVD 시스템에서 캐비티 압력을 3.3 kPa에서 14 kPa로 증가시킬 경우 탄소 필름의 성장 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 캐비티 압력과 증착된 탄소 필름의 상 조성(다이아몬드 대비 그래파이트) 사이의 관계는 어떠한가?
• RQ3 기체 상태 탄소 원자가 다이아몬드 상 탄소로 전환되는 비율이 최대가 되는 압력 범위는 어느 정도인가?
• RQ4 기판 표면에서의 기체 충돌 및 에너지 전달 방식이 캐비티 압력에 따라 어떻게 변화하며, 이는 필름 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 기체 밀도가 증가함에도 불구하고 고압에서 필름 성장 속도가 감소하는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 탄소 필름의 성장 속도는 캐비티 압력이 8.6 kPa까지 증가함에 따라 크게 증가하며, 이 중간 압력 범위에서 최고에 도달한다.
• 3.3 kPa에서 8.6 kPa 사이의 압력 범위에서는 뚜렷한 입자 및 결정립 특징이 나타나며, 이는 핵형성과 성장 활동이 향상됨을 시사한다.
• 기체 상태 탄소 원자가 다이아몬드 상 탄소로 전환되는 비율이 가장 높은 것은 중간 압력 범위에서이며, 특히 8.6 kPa 근처에서 나타난다.
• 8.6 kPa 이상의 압력에서는 다수의 기체 상태 탄소 원자가 그래파이트 상 탄소로 전환되어 필름 성장 속도가 감소한다.
• 고압에서 다이아몬드 상에서 그래파이트 상으로의 전이가 발생하는 것은 기체상 충돌 증가와 기판 표면에서의 에너지 전달 방식 변화 때문으로 분석된다.
• 탄소 필름의 형태는 저압에서는 미세한 결정립에서 시작하여 중간 압력에서는 더 큰 결정립과 입자로 변화하며, 고압에서는 그래파이트 구조로의 전환을 보인다.