고온 필라멘트 화학 기상 증착(HFCVD)은 저압에서 다이아몬드를 성장시키는 가장 오래되고 널리 사용되는 방법입니다. 1982년 마쓰모토(Matsumoto) 연구팀은 내화 금속 필라멘트를 2000°C 이상으로 가열했는데, 이 온도에서 필라멘트를 통과하는 H2 가스는 수소 원자를 쉽게 생성합니다. 탄화수소 열분해 과정에서 생성되는 원자 수소는 다이아몬드 박막의 증착 속도를 증가시킵니다. 다이아몬드가 선택적으로 증착되고 흑연 생성이 억제되어 mm/h 수준의 매우 빠른 다이아몬드 박막 증착 속도를 얻을 수 있습니다. 이는 산업계에서 일반적으로 사용되는 방법으로는 매우 빠른 속도입니다. HFCVD는 메탄, 프로판, 아세틸렌 등의 탄화수소는 물론 아세톤, 에탄올, 메탄올과 같은 산소 함유 탄화수소 등 다양한 탄소원을 사용하여 수행할 수 있습니다. 산소 함유 작용기를 첨가하면 다이아몬드 증착 온도 범위가 넓어집니다.
일반적인 HFCVD 시스템 외에도 여러 가지 변형 시스템이 있습니다. 가장 흔한 것은 DC 플라즈마와 HFCVD를 결합한 시스템입니다. 이 시스템에서는 기판과 필라멘트에 바이어스 전압을 인가할 수 있습니다. 기판에 일정한 양의 바이어스를, 필라멘트에 특정 음의 바이어스를 인가하면 전자가 기판에 충돌하여 표면의 수소가 탈착됩니다. 이러한 탈착으로 인해 다이아몬드 박막의 증착 속도가 증가합니다(약 10mm/h). 이 기술을 전자 보조 HFCVD라고 합니다. 안정적인 플라즈마 방전을 생성할 만큼 충분히 높은 바이어스 전압을 인가하면 H2와 탄화수소의 분해가 급격히 증가하여 궁극적으로 성장 속도가 향상됩니다. 바이어스 극성을 반전시키면(기판에 음의 바이어스를 인가하면) 기판에 이온 충돌이 발생하여 다이아몬드가 아닌 기판에서도 다이아몬드 핵 생성이 증가합니다. 또 다른 변형은 균일한 증착과 궁극적으로 넓은 면적의 다이아몬드 박막을 얻기 위해 단일 고온 필라멘트를 여러 개의 서로 다른 필라멘트로 대체하는 것입니다. HFCVD의 단점은 필라멘트의 열 증발로 인해 다이아몬드 박막에 오염 물질이 생성될 수 있다는 것입니다.
(2) 마이크로파 플라즈마 CVD(MWCVD)
1970년대에 과학자들은 직류(DC) 플라즈마를 이용하여 원자 수소의 농도를 높일 수 있다는 사실을 발견했습니다. 그 결과, 플라즈마는 H2를 원자 수소로 분해하고 탄소 기반 원자 그룹을 활성화시켜 다이아몬드 박막 형성을 촉진하는 또 다른 방법으로 주목받게 되었습니다. 직류 플라즈마 외에도 두 가지 유형의 플라즈마가 더 주목받고 있습니다. 마이크로파 플라즈마 CVD는 2.45GHz의 여기 주파수를 사용하고, 고주파(RF) 플라즈마 CVD는 13.56MHz의 여기 주파수를 사용합니다. 마이크로파 플라즈마는 마이크로파 주파수가 전자 진동을 유도한다는 점에서 독특합니다. 전자가 기체 원자나 분자와 충돌하면 높은 해리율이 발생합니다. 마이크로파 플라즈마는 흔히 "뜨거운" 전자, "차가운" 이온, 그리고 중성 입자로 이루어진 물질로 묘사됩니다. 박막 증착 과정에서 마이크로파는 창을 통해 플라즈마 강화 CVD 합성 챔버 내부로 들어갑니다. 발광 플라즈마는 일반적으로 구형이며, 구의 크기는 마이크로파 출력에 비례하여 커집니다. 다이아몬드 박막은 발광 영역의 모서리 부분에 있는 기판 위에 성장되며, 기판은 발광 영역과 직접 접촉할 필요는 없습니다.
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게시 시간: 2024년 6월 19일