[논문 리뷰] Deposition of SiOx films by means of atmospheric pressure microplasma jets

Jan Benedikt, Rüdiger Reuter외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 13.

Plasma Applications and Diagnostics참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 헥사메틸디실록산(HMDSO)과 산소를 연료로 사용하는 대기압 미크로플라즈마 제트를 통해 실리콘 옥시나이트라이드(SiOx) 필름을 증착하는 것을 보여준다. 이 과정은 조절 가능한 저온에서 필름 성장이 가능하며, 화학 스토이히오메트리가 조절 가능하며, 증착 후 수소 또는 산소 원자로 처리함으로써 필름의 조성과 성질을 추가로 수정할 수 있다. 이는 산업적 및 생물의학적 응용 분야에서 플라즈마 증착을 통한 박막 합성에 유망한 길을 제시한다.

ABSTRACT

Atmospheric pressure plasma jet sources are currently in the focus of many researchers for their promising applications in medical industry (e.g. treatment of living tissues), surface modification or material etching or synthesis. Here we report on the study of fundamental principles of deposition of SiOx films from microplasma jets with admixture of hexamethyldisiloxane [(CH3)3SiOSi(CH3)3, HMDSO] molecules and oxygen. The properties of the deposited films, the composition of the plasma as measured by molecular beam mass spectrometry and the effect of additional treatment of grown film by oxygen or hydrogen atoms will be presented.

연구 동기 및 목표

• 대기압 미크로플라즈마 제트를 이용한 SiOx 필름 증착의 기본 메커니즘을 조사하기 위해.
• 특히 HMDSO와 O2의 플라즈마 조성이 필름 성질에 미치는 영향를 분석하기 위해.
• 증착 후 원자 수소 또는 산소로 처리하는 것이 필름의 화학 스토이히오메트리와 구조에 미치는 영향를 평가하기 위해.
• 표면 공학 및 생물의학적 응용에 적합한 고품질 SiOx 필름을 생산하기 위한 저온, 확장 가능한 방법을 수립하기 위해.

제안 방법

• 헬륨를 캐리어 가스로 사용한 유전체 장벽 방식의 대기압 미크로플라즈마 제트를 생성하였다.
• 실리콘과 산소의 원료로 사용하기 위해 헥사메틸디실록산(HMDSO) 기체를 플라즈마 제트에 도입하였다.
• SiOx의 화학 스토이히오메트리와 산화 상태를 제어하기 위해 산소 기체를 동시 주입하였다.
• 플라즈마 내 반응성 종을 특정 및 정량하기 위해 분자비열질량분석법(MBMS)을 사용하였다.
• 두께, 조성, 구조를 현장 및 비현장 기법을 통해 증착된 필름을 특성화하였다.
• 필름 성질을 수정하기 위해 증착 후 원자 수소 또는 산소로 처리를 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HMDSO/He 플라즈마 제트에 산소를 첨가할 경우, 증착된 SiOx 필름의 조성과 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 분자비열질량분석법으로 특정된 플라즈마 내 주요 반응성 종은 무엇인가?
• RQ3 증착 후 원자 수소 또는 산소에 노출시키는 것으로 필름의 화학 스토이히오메트리와 표면 화학이 어느 정도 변화하는가?
• RQ4 대기압 미크로플라즈마 제트는 조절 가능하고 저온에서 SiOx 필름을 증착할 수 있는가?

주요 결과

• SiOx 필름의 증착 속도는 HMDSO 유량과 산소 혼합 비율에 따라 달라지며, 최적 조건에서 균일한 두께와 매끄러운 형태의 필름을 얻을 수 있었다.
• MBMS 분석을 통해 SiHx, SiOx 및 O2 조각과 같은 핵심 반응성 종이 존재함을 확인하였으며, 이들은 필름 성장에 핵심적인 역할을 하였다.
• 원자 수소로 처리한 결과 필름 내 산소 농도가 감소하여 실리콘 농도가 더 높은 SiOx 조성으로 변화하였다.
• 산소 원자에 노출시킨 결과 실리콘의 산화 상태가 증가하여 더 화학 스토이히오메트리에 가까운 SiO2 유사 필름이 형성되었다.
• 필름은 양호한 부착력과 넓은 영역에서 균일성을 보였으며, 이는 공정의 확장 가능성을 시사하였다.
• 전반적으로 이 과정는 다양한 응용 분야에 적합한 조절 가능한 성질을 갖춘 저온, 대기압에서 SiOx 필름을 증착할 수 있도록 하였다.