[논문 리뷰] Morphology and Structure of Carbon Films Deposited at Varying Chamber Pressures

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

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 36인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 메탄에서 탄소 필름을 증착하는 동안 핫필라멘트 반응기 내의 챔버 압력(3.3–14 kPa)이 탄소 필름의 형태와 구조에 미치는 영향을 조사한다. 그 결과, 8.6 kPa 이하로 압력을 증가시키면 기체 활성화와 원자 수소 에칭이 최적화되어 다이아몬드 상 형성과 필름 성장 속도가 향상되며, 11.3 kPa 이상에서는 그래파이트 형성이 유리해지고 성장 속도가 감소함을 밝혀내어, 압력에 따라 탄소 상 선택과 필름 품질을 제어할 수 있음을 확인한다.

ABSTRACT

Depositing thin and thick films through different deposition technology systems has been a topic of great interest. In the hot-filaments reactor, a carbon film is deposited at some value of the chamber pressure, where the photon energy is also found in addition to gases and heat energy. Having dissociated from methane, gaseous carbon atoms convert into graphite and diamond states. Increase in chamber pressure from 3.3 kPa to 14 kPa alters the morphology and structure of carbon films. Increasing the chamber pressure upto 8.6 kPa increases the growth rate of carbon film along with discernible features of its tiny grains, grains and particles. The conversion rate of gaseous carbon atoms into the diamond state also increases. At high set chamber pressures, i.e., 11.3 kPa and 14 kPa, gaseous carbon atoms converted into the graphite state at high rate. However, the films with low growth rates had deposited. The gas activation process and the gas collision vary largely at different chamber pressures. Hence, the morphology and structure of carbon films got deposited with different nucleation and growth rates. The dissociation rate of molecular hydrogen becomes different at each chamber pressure. Consequently, the amount of formation of typical energy varies. On dissociation, atomic hydrogen is used to etch the photon energy into typical energy of different shapes. A suitable typical energy involves in the conversion of gaseous carbon atoms to graphite and diamond states. Graphite atoms get bound by the same involved energy. A different shaped typical energy involves in the process of binding diamond atoms. Clearly, this study sets a new foundation in depositing carbon films and other carbon-based materials.

연구 동기 및 목표

• 핫필라멘트 CVD를 통해 증착된 탄소 필름의 형태와 상 구조에 대한 챔버 압력의 영향을 이해하는 것.
• 다이아몬드 상 형성과 필름 성장 속도를 최대화하는 압력 범위를 규명하는 것.
• 기체 활성화, 원자 수소, 에너지 전달이 탄소 필름 증착 중 상 선택에 미치는 역할을 분석하는 것.
• 증착 시스템에서 압력 조절을 통해 탄소 필름 구조를 제어할 수 있는 기초를 마련하는 것.

제안 방법

• 다양한 챔버 압력(3.3–14 kPa)에서 메탄을 탄소 원료로 사용하여 핫필라멘트 반응기로 탄소 필름을 증착하는 것.
• 다른 압력 조건에서 기체 상태의 탄소 원자 해리 및 그들이 그래파이트와 다이아몬드 상으로 전환되는 과정을 모니터링하는 것.
• 기체 활성화와 충돌 역학에 따른 압력에 의존하는 해리 및 성장 속도 분석.
• 원자 수소가 에칭과 에너지 전달에 미치는 역할을 평가하여 상 특이적 결합 에너지에 영향을 미치는 원인을 규명하는 것.
• 광자 에너지와 일반적인 에너지 형태를 사용하여 그래파이트와 다이아몬드 구조의 상 특이적 결합 메커니즘을 설명하는 것.
• 기체 해리 및 활성화의 압력에 따른 변화와 그로 인한 필름 형태 및 상 조성의 상관관계 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 챔버 압력을 3.3 kPa에서 14 kPa로 증가시킬 경우 탄소 필름의 성장 속도와 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다른 압력에서 원자 수소와 기체 활성화는 증착된 탄소 필름의 상(다이아몬드 대 그래파이트)을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 기체 상태의 탄소 원자가 다이아몬드 상으로 전환되는 속도가 최대가 되는 압력는 얼마인가?
• RQ4 챔버 압력의 변화가 그래파이트와 다이아몬드의 원자 결합에 관여하는 에너지 전달 과정에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 고압 조건(11.3 kPa 및 14 kPa)에서도 그래파이트 형성이 높아지는데도 불구하고 왜 필름 성장 속도가 감소하는가?

주요 결과

• 챔버 압력이 8.6 kPa까지 증가함에 따라 필름 성장 속도가 증가하여 최고점에 도달한 후 고압에서 감소함을 확인함.
• 기체 상태의 탄소 원자가 다이아몬드 상으로 전환되는 비율이 8.6 kPa까지 뚜렷이 증가하여 다이아몬드 형성에 최적의 조건임을 나타냄.
• 11.3 kPa 및 14 kPa에서는 기체 상태의 탄소 원자가 그래파이트 상으로 전환되는 것이 우세해지며, 이와 함께 필름 성장 속도가 감소함.
• 분자 수소의 해리 속도는 챔버 압력에 따라 변하며, 이는 에칭과 에너지 전달에 이용 가능한 원자 수소의 가용성에 영향을 미침.
• 그래파이트와 다이아몬드 원자의 결합에 관여하는 다양한 형태의 일반적인 에너지 형태가 존재하여 상 특이적 구조적 결과를 설명함.
• 탄소 필름의 형태와 구조는 압력에 따라 달라지는 핵형성 및 성장 역학에 의해 강하게 영향을 받으며, 8.6 kPa에서 특징적인 구조적 특징이 관찰됨.