KR101318236B1 - Method and apparatus for grain size control in the diamond synthesis - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다이아몬드결정의 입자크기 제어방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자와 이온 충돌을 유도하여 다이아몬드결정 박막을 형성하는 기상 다이아몬드결정 합성 방법에 있어서, 해당 방법을 구현하는 장치의 음극(cathode)과 양극(anode) 사이의 전계(interelectrode electric field)를 제어함으로써 다이아몬드결정의 입자크기를 제어할 수 있는 다이아몬드결정의 입자크기 제어방법 및 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a method and apparatus for controlling a particle size of diamond crystals, and more particularly, in a vapor phase diamond crystal synthesis method of inducing electron collisions with ions to form a diamond crystal thin film, the cathode of the apparatus implementing the method ( The present invention relates to a method and apparatus for controlling a particle size of a diamond crystal capable of controlling the particle size of the diamond crystal by controlling an interelectrode electric field between a cathode and an anode.
화학기상증착 공정을 이용한 다이아몬드 합성 기술은 초나노결정다이아몬드(UNCD, ultra-nanocrystalline diamond)의 합성까지 가능할 정도로 발전되어 왔다. 초나노결정다이아몬드(UNCD)는 다이아몬드 고유의 특성과 초나노결정박막의 특성이 결합된 것으로서 다양한 분야에 응용이 가능하다. Diamond synthesis technology using chemical vapor deposition process has been developed to enable the synthesis of ultra-nanocrystalline diamond (UNCD, ultra-nanocrystalline diamond). Ultra-nanocrystalline diamond (UNCD) is a combination of the characteristics of diamond and ultra-nanocrystalline thin film, and can be applied to various fields.
Ar 과잉 분위기 하의 MW-PACVD(microwave plasma-assisted chemical vapor deposition)를 이용한 혁신적인 방법을 통해 초나노결정다이아몬드의 합성이 가능하다. 또한, 수소 과잉 분위기 하에서의 MW-PACVD를 이용한 통상적인 방법을 통해서도 초나노결정다이아몬드의 합성이 가능하다. 수소 과잉 분위기의 MW-PACVD 방법의 경우, 기판에 음(-)의 전원이 인가되고 기판의 성장면에 양(+)의 이온이 충돌하는 형태로 공정이 진행된다. Ultra-nanocrystalline diamonds can be synthesized using an innovative method using microwave plasma-assisted chemical vapor deposition (MW-PACVD) under an Ar-rich atmosphere. In addition, the synthesis of ultra-nanocrystalline diamond is possible through a conventional method using MW-PACVD in a hydrogen excess atmosphere. In the case of the MW-PACVD method in a hydrogen excess atmosphere, a process is performed in a manner that a negative power is applied to a substrate and positive ions collide with a growth surface of the substrate.
초나노결정다이아몬드(UNCD)의 합성은 DC-PACVD(direct current plasma-assisted chemical vapor deposition)를 통해서도 가능한데, 이 경우 기판에 음(-)의 전원은 인가되지 않고 수소 과잉 분위기 하에서 공정이 진행된다(H.-J. Lee, H. Jeon, and W.-S. Lee, J. Appl. Phys. 109, 023303 (2011)).Synthesis of ultra-nanocrystalline diamond (UNCD) is also possible through direct current plasma-assisted chemical vapor deposition (DC-PACVD), in which case the process is carried out under a hydrogen excess atmosphere without applying negative power to the substrate ( H.-J. Lee, H. Jeon, and W.-S. Lee, J. Appl. Phys. 109, 023303 (2011)).
MW-PACVD 등의 BEG(bias enhanced growth) 방법을 이용한 다이아몬드 합성법은 기판에 음(-)의 전원을 인가하여 양(+)의 이온이 기판에 충돌하는 방식임에 반해, DC-PACVD 방법은 기판에 양(+)의 전원을 인가하여 전자(electron)가 기판에 충돌하는 방식이다. 이온 충돌에 비해 전자 충돌은 기판 손상에 영향이 크지 않기 때문에 DC-PACVD 방법은 다이아몬드결정 박막 합성에 유리한 면을 갖고 있다. The diamond synthesis method using the BEG (bias enhanced growth) method such as MW-PACVD is a method of applying a negative power to the substrate and the positive ions collide with the substrate, whereas the DC-PACVD method is a substrate This is a method in which electrons collide with the substrate by applying a positive power to the substrate. Compared with ion bombardment, electron bombardment has little effect on substrate damage, so the DC-PACVD method is advantageous for diamond crystal thin film synthesis.
한편, 다이아몬드결정 박막은 결정입자 크기에 따라 전술한 바와 같은 초나노결정다이아몬드(UNCD) 박막 이외에 나노결정다이아몬드(NCD, nanocrystalline diamond) 박막, 마이크로결정다이아몬드(microcrystalline diamond) 박막으로 구분되는데, 적용분야에 따라 선택적으로 다이아몬드결정 박막의 입자크기가 요구된다. 따라서, 다이아몬드결정 박막의 입자크기를 제어하는 기술은 학문적 측면 이외에 상업적인 측면에서도 매우 유용하다. Diamond crystal thin films are classified into nanocrystalline diamond (NCD) thin films and microcrystalline diamond thin films in addition to the ultra-nanocrystalline diamond (UNCD) thin film as described above according to the crystal grain size. Accordingly, the particle size of the diamond crystal thin film is optionally required. Therefore, the technique of controlling the particle size of the diamond crystal thin film is very useful in commercial as well as academic aspects.
그러나, 전자 충돌을 유도하여 다이아몬드결정 박막을 합성하는 DC-PACVD 방법에 있어서, 다이아몬드결정입자의 크기를 제어하는 기술은 현재까지 제시된 바가 없다.
However, in the DC-PACVD method of synthesizing a diamond crystal thin film by inducing electron collision, a technique for controlling the size of diamond crystal grains has not been proposed until now.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 전자와 이온 충돌을 유도하여 다이아몬드결정 박막을 형성하는 기상 다이아몬드결정 합성 방법에 있어서, 해당 방법을 구현하는 장치의 음극(cathode)과 양극(anode) 사이의 전계(interelectrode electric field)를 제어함으로써 다이아몬드결정의 입자크기를 제어할 수 있는 다이아몬드결정의 입자크기 제어방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention has been made to solve the above problems, in the vapor phase diamond crystal synthesis method of forming a diamond crystal thin film by inducing ion collision with electrons, the cathode (cathode) and the anode ( It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for controlling the particle size of a diamond crystal which can control the particle size of the diamond crystal by controlling the interelectrode electric field between the anodes.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다이아몬드결정의 입자크기 제어방법은 음극과 양극에 전원을 인가하여 전구체 가스를 전자와 이온으로 전환시켜 다이아몬드결정을 합성시킴에 있어서, 상기 음극과 양극 사이의 전극간 전계(IEEF)가 커지면 다이아몬드결정의 입자크기가 작아지고, 전극간 전계(IEEF)가 작아지면 다이아몬드결정의 입자크기가 커지는 것을 특징으로 한다. In the method for controlling the particle size of diamond crystals according to the present invention for achieving the above object, in the synthesis of diamond crystals by converting a precursor gas into electrons and ions by applying power to a cathode and an anode, between the cathode and the anode The larger the interelectrode electric field (IEEF), the smaller the grain size of the diamond crystal, and the smaller the interelectrode electric field (IEEF), the larger the grain size of the diamond crystal.
상기 음극과 양극 사이의 전극간 거리(IED)가 증가하면 상기 전극간 전계(IEEF)의 세기는 감소하고, 전극간 거리(IED)가 감소하면 상기 전극간 전계(IEEF)의 세기는 증가한다. When the interelectrode distance IED between the cathode and the anode increases, the intensity of the interelectrode electric field IIEF decreases, and when the interelectrode distance IED decreases, the intensity of the interelectrode electric field IIEF increases.
다이아몬드결정이 성장되는 기판은 상기 양극 상에 구비되고, 상기 음극은 상기 기판 상부의 이격된 위치에 구비되며, 음극과 양극의 전원 인가에 의해 생성된 전자는 기판을 향하여 이동되며, 이온은 음극을 향하여 이동된다. A substrate on which diamond crystals are grown is provided on the anode, and the cathode is provided at a spaced position above the substrate, and electrons generated by applying power from the cathode and the anode are moved toward the substrate, and ions are moved to the cathode. Is moved towards.
본 발명에 따른 다이아몬드결정 입자크기 제어장치는 전구체 가스가 공급되어 다이아몬드결정 합성 공간을 제공하는 챔버와, 상기 챔버의 하부 및 상부에 각각 구비되어 전원 인가에 의해 전구체 가스를 전자와 이온을 전환시키는 역할을 하는 양극과 음극 및 상기 양극 상에 구비되어 다이아몬드결정이 성장되는 공간을 제공하는 기판을 포함하여 이루어지며, 상기 양극과 음극 사이의 전극간 거리(IED)는 조절 가능하며, 상기 전극간 거리(IED)가 증가하면 상기 전극간 전계(IEEF)의 세기가 감소하여 다이아몬드결정의 입자크기가 커지고, 상기 전극간 거리(IED)가 감소하면 상기 전극간 전계(IEEF)의 세기는 증가하여 다이아몬드결정의 입자크기가 작아지는 것을 특징으로 한다.
Diamond crystal particle size control apparatus according to the present invention is provided with a chamber to provide a precursor space to the diamond crystal synthesis precursor gas, and is provided at the lower and upper portions of the chamber respectively to convert the precursor gas electrons and ions by applying power Comprising a positive electrode and a negative electrode and a substrate provided on the anode to provide a space for growing diamond crystals, the distance between the electrode (IED) between the anode and the cathode is adjustable, the distance between the electrodes ( Increasing IED) decreases the strength of the inter-electrode electric field (IEEF) to increase the grain size of the diamond crystal, and decreasing the inter-electrode distance (IED) increases the intensity of the inter-electrode electric field (IEEF) It is characterized in that the particle size is reduced.
본 발명에 따른 다이아몬드결정의 입자크기 제어방법 및 장치는 다음과 같은 효과가 있다. The particle size control method and apparatus of the diamond crystal according to the present invention has the following effects.
음극과 양극 사이의 전극간 거리(IED)를 조절하여 전극간 전계(IEEF)의 세기를 선택적으로 제어 가능하며, 이를 통해 다이아몬드결정의 입자크기를 용이하게 제어할 수 있다.
It is possible to selectively control the intensity of the interelectrode electric field (IEEF) by adjusting the interelectrode distance (IED) between the cathode and the anode, thereby easily controlling the particle size of the diamond crystal.
도 1의 (a), (b), (c)는 각각 전극간 거리(IED)가 5mm, 25mm, 35mm 일 때 방전상태를 찍은 사진이며, 도 1의 (d)는 전극간 거리(IED)와 전극간 전계(IEEF)의 상관 관계를 나타낸 그래프.
도 2의 (a), (b), (c)는 각각 전극간 거리(IED)가 5mm, 25mm, 35mm 일 때 성장된 다이아몬드결정의 HR-TEM 사진 및 SAED 패턴 결과.
도 3의 (a), (b), (c)는 각각 양극영역, 양광주영역, 음극영역의 방전시 광방출 스펙트럼 결과.
도 4는 도 3의 각 영역에 대한 전극간 전계(IEEF)에 따른 ICH/IHα를 나타낸 그래프. (A), (b) and (c) of FIG. 1 are photographs of the discharge state when the inter-electrode distance (IED) is 5 mm, 25 mm, and 35 mm, respectively, and FIG. 1 (d) shows the inter-electrode distance (IED). And graph showing the correlation between the electric field (IEEF) and the electrode.
(A), (b) and (c) of FIG. 2 are HR-TEM photographs and SAED pattern results of diamond crystals grown when the inter-electrode distance (IED) is 5 mm, 25 mm, and 35 mm, respectively.
(A), (b) and (c) of FIG. 3 are light emission spectrum results during discharge of the anode region, the positive column region and the cathode region, respectively.
4 is a graph showing I CH / I Hα according to an interelectrode electric field (IEEF) for each region of FIG. 3.
본 발명은 전자와 이온을 이용하여 다이아몬드결정을 합성하는 방법에 있어서, 음극과 양극 사이의 전극간 전계(interelectrode electric field, 이하 'IEEF'라 칭함)의 세기를 조절하여 다이아몬드결정의 입자크기를 제어함을 특징으로 하며, 이를 통해 초나노 결정 다이아몬드(UNCD), 나노 결정 다이아몬드(NCD), 마이크로 결정 다이아몬드(MCD)를 합성할 수 있다. In the method of synthesizing diamond crystals using electrons and ions, the particle size of the diamond crystals is controlled by controlling the intensity of an interelectrode electric field (hereinafter referred to as 'IEEF') between the cathode and the anode. It is possible to synthesize ultra-nanocrystalline diamond (UNCD), nanocrystalline diamond (NCD), microcrystalline diamond (MCD) through this.
전자와 이온을 이용한 다이아몬드결정 합성방법이라 함은 다이아몬드결정이 합성되는 공간(예를 들어, 챔버)에서 다이아몬드결정 합성의 전구체로부터 발생된 전자와 이온에 의해 다이아몬드결정이 합성되는 방법을 일컫는 것으로서, 전자와 이온은 챔버 내에 구비된 음극(cathode)과 양극(anode)에 전원이 인가됨으로써 생성된다. 다이아몬드결정 합성의 전구체는 CH4, H2 등이 이용될 수 있으며, 전자와 이온은 플라즈마 상태로 존재할 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서 다이아몬드결정이 성장되는 기판 측에는 양(+)의 전원이 인가됨이 전제된다. 즉, 기판은 양극 상에 구비되고, 기판의 반대측에 음극이 구비됨이 전제된다. The method of synthesizing diamond crystals using electrons and ions refers to a method in which diamond crystals are synthesized by electrons and ions generated from precursors of diamond crystal synthesis in a space (for example, a chamber) where diamond crystals are synthesized. And ions are generated by applying power to a cathode and an anode provided in the chamber. CH 4 , H 2, etc. may be used as a precursor of diamond crystal synthesis, and electrons and ions may exist in a plasma state. In addition, in the present invention, it is assumed that a positive power is applied to the substrate side where the diamond crystal is grown. That is, the substrate is provided on the anode, and the cathode is provided on the opposite side of the substrate.
기판을 양극 상에 구비시키는 이유는, 전원 인가에 의해 발생된 전자가 기판을 향해 이동되도록 하기 위함이고, 반대로 이온 즉, 양(+)의 이온은 음극을 향하여 이동되도록 하기 위함이다. 양극 즉, 기판을 향하여 이동하는 전자는 기판 또는 챔버 내의 기체(gas species)와 충돌하며, 음극을 향하여 이동하는 양이온은 챔버 내의 기체와 충돌한다. The reason why the substrate is provided on the anode is to allow electrons generated by the application of power to be moved toward the substrate, and ions, ie, positive ions, to be moved toward the cathode. Electrons moving toward the anode, ie, the substrate, collide with gas species within the substrate or chamber, and cations traveling toward the cathode collide with the gas within the chamber.
전자의 충돌은, 기판 성장면(growth front)의 반응성 및 기상 래디컬(gas phase radicals)의 반응성을 강화시키는 역할을 한다. 구체적으로, 전자의 충돌로 인해 기판 표면에 위치한 표면 래디컬 사이트(surface radical site)의 분자 결합의 속박전자(bound electron)에 전자의 운동에너지가 가해져 성장면에서의 반응성이 향상된다. 또한, 전자와 챔버 내의 기체와의 충돌은 전자의 운동에너지 전달에 기인한 성장면 주변의 기상 래디컬의 반응성 향상을 유도한다. 즉, 전자와 기판의 충돌 또는 전자와 기체와의 충돌로 인해 기판 성장면 및 그 주변의 반응성이 향상되며, 이에 의해 기판 표면에서의 재핵생성(renucleation) 활동이 강화된다. 전자의 충돌강도는 전극간 전계(IEEF)가 커질수록 증가하며, 전극간 전계가 커짐에 따라 기판 표면의 재핵생성도 증가한다. 전자의 충돌은 피충돌체 즉, 기판 및 기체의 내부에너지를 증가시키는 비탄성충돌의 형태이다. The collision of electrons serves to enhance the reactivity of the substrate growth front and the reactivity of gas phase radicals. Specifically, due to the collision of electrons, the kinetic energy of the electrons is applied to the bound electrons of the molecular bonds of the surface radical sites located on the substrate surface, thereby improving reactivity in growth. In addition, the collision of the electrons with the gas in the chamber leads to an improvement in the reactivity of the gaseous radicals around the growth surface due to the kinetic energy transfer of the electrons. That is, the collision between the electron and the substrate or the collision between the electron and the gas improves the reactivity of the substrate growth surface and its surroundings, thereby enhancing renucleation activity on the substrate surface. The collision strength of the electrons increases as the interelectrode electric field (IEEF) increases, and as the interelectrode electric field increases, the nucleation of the substrate surface also increases. The collision of electrons is a form of inelastic collision which increases the internal energy of the collision body, ie, the substrate and the gas.
이온의 충돌은, 정확히는 이온이 기체의 원자(또는 분자)와 충돌하는 것을 의미하며, 이온과 기체의 충돌시 이온의 운동에너지가 기체의 각 원자에 가해져 기체가 분해되고 탄화수소 래디컬(hydrocarbon radical)이 생성된다. 이온의 지속적인 충돌에 의해 탄화수소 래디컬이 재결합되는 것이 억제되며, 이에 의해 성장면 주변에서의 CHx/H 비는 높게 유지된다. 이온의 충돌강도 역시 전자의 충돌강도와 마찬가지로, 전극간 전계(IEEF)가 커질수록 증가하며, 전극간 전계가 커지면 CHx/H 비도 증가한다. 이온의 충돌은 전자의 충돌과는 달리 탄성충돌(elastic manner)의 형태이며, 이에 따라 이온 충돌 에너지의 일정 부분은 원자/분자의 운동에너지로 전환된다. Collision of ions means precisely that ions collide with atoms (or molecules) of the gas. When ions collide with the gas, kinetic energy of ions is applied to each atom of the gas, so that the gas is decomposed and hydrocarbon radicals Is generated. Recombination of hydrocarbon radicals by the constant collision of ions is suppressed, whereby the CH x / H ratio around the growth surface is kept high. Like the collision strength of electrons, the collision strength of ions increases as the interelectrode electric field (IEEF) increases, and the CH x / H ratio increases as the interelectrode electric field increases. The collision of ions, unlike the collision of electrons, is in the form of an elastic manner, whereby a portion of the ion bombardment energy is converted into kinetic energy of atoms / molecules.
앞서 언급한 바와 같이, 전자 또는 이온의 충돌강도는 전극간 전계(IEEF)의 세기에 비례하며, 전극간 전계(IEEF)는 전극간 거리(IED)에 반비례한다. 즉, 전극간 거리(IED)가 작을수록 전자 및 이온의 충돌강도는 커지고, 전극간 거리(IED)가 커질수록 전자 및 이온의 충돌강도는 작아진다. 또한, 전자 및 이온의 충돌강도가 커질수록 기판 성장면에서의 재핵생성률이 증가되어 다이아몬드결정의 입자크기가 작아지며, 전자 및 이온의 충돌강도가 작아질수록 기판 성장면에서의 재핵생성률이 감소되어 다이아몬드결정의 입자크기가 커진다. As mentioned above, the collision strength of electrons or ions is proportional to the intensity of the interelectrode electric field (IEEF), and the interelectrode electric field (IEEF) is inversely proportional to the interelectrode distance (IED). That is, the smaller the interelectrode distance IED, the greater the collision strength of electrons and ions, and the larger the interelectrode distance IED, the smaller the collision intensity of electrons and ions. In addition, as the collision strength of electrons and ions increases, the nucleation rate increases on the substrate growth surface, and the particle size of diamond crystals decreases. The grain size of the diamond crystals is increased.
전자 및 이온의 충돌이 다이아몬드결정의 입자크기의 제어에 밀접한 관계를 갖고 있음은 후술하는 광방출 스펙트럼(optical emission spectrum) 결과 등의 실험결과에 의해 뒷받침된다. The collision of electrons and ions has a close relationship with the control of the particle size of the diamond crystals, which is supported by experimental results such as optical emission spectrum results described later.
한편, 전극간 전계(IEEF)의 제어를 통해 다이아몬드결정의 입자크기를 선택적으로 제어할 수 있는 본 발명에 따른 다이아몬드결정 합성방법은, 전자와 이온을 이용하는 기상 다이아몬드 합성방법에 모두 적용 가능하며, 다만 기판이 장착되는 전극에 양(+)의 전원이 인가됨이 전제된다. On the other hand, the diamond crystal synthesis method according to the present invention that can selectively control the particle size of the diamond crystal through the control of the inter-electrode electric field (IEEF), it is applicable to both vapor phase diamond synthesis method using electrons and ions, It is assumed that a positive power is applied to the electrode on which the substrate is mounted.
다음으로, 본 발명에 따른 다이아몬드결정의 입자크기 제어방법의 실험예 및 실험결과를 설명하기로 한다.
Next, experimental examples and experimental results of the particle size control method of the diamond crystal according to the present invention will be described.
<실시예 : 실험조건><Example: Experimental Conditions>
DC-PACVD 장치를 이용하여 다이아몬드결정을 합성하였다. 3% CH4와 97% H2의 혼합가스가 전구체로 이용되었고, 공정 압력, 가스 유량, 방전전류는 각각 150Torr, 150sccm, 35±2A이며, 기판으로 4인치 실리콘 웨이퍼가 사용되었으며, 기판은 텅스텐 재질의 기판 홀더 상에 장착되었다. 성장온도는 약 800℃로 유지되었다. 상세 실험조건은 표 1에 나타낸 바와 같으며, 전극간 거리(IED)를 5, 10, 15, 25, 35mm로 조정한 상태에서 각각 실험을 진행하였다. Diamond crystals were synthesized using a DC-PACVD apparatus. A mixed gas of 3% CH 4 and 97% H 2 was used as the precursor, and the process pressure, gas flow rate, and discharge current were 150 Torr, 150 sccm, and 35 ± 2 A, respectively, and a 4 inch silicon wafer was used as the substrate. It was mounted on a substrate holder made of material. Growth temperature was maintained at about 800 ℃. Detailed experimental conditions are as shown in Table 1, and the experiments were conducted in the state of adjusting the inter-electrode distance (IED) to 5, 10, 15, 25, and 35 mm.
방전상태는 디지털카메라로 촬영하였으며, 방전시 광방출은 광방출광학기(OES, optical emission spectroscopy)로 분석하였다. 이 밖에, HR-TEM, XRD, HR-SEM이 입자 크기, 마이크로구조, 결정구조 분석에 이용되었고, 그 결과는 표 1에 나타낸 바와 같다. The discharge state was photographed with a digital camera, and the light emission during discharge was analyzed by optical emission spectroscopy (OES). In addition, HR-TEM, XRD, HR-SEM were used for particle size, microstructure, crystal structure analysis, the results are shown in Table 1.
<표 1> 실험조건 및 결과<Table 1> Experimental conditions and results
<실시예 : 실험결과><Example: Experimental Results>
도 1(a)∼1(c)는 전극간 거리(IED)에 따른 DC 방전의 전개를 나타낸 것이다. 전극간 거리(IED)가 커질수록 양광주(positive column)가 나타나고 확장됨을 확인할 수 있다(도 1(b), 1(c)). 도 1(d)는 전극간 거리(IED)에 따른 전극간 전계(IEEF)를 나타낸 것이다. 전극간거리(IED)가 35mm에서 5mm로 감소됨에 따라 전극간 전계(IEEF)는 263V/cm에서 940V/cm으로 증가되었다. 이러한 경향은 음극의 열전자방출(thermal electron emission)로 설명된다. 전극간 전계(IEEF)가 증가되면 다이아몬드결정의 입자크기는 현격히 감소하며(표 1 참고), 이는 도 2에 도시한 바와 같은 HR-TEM 분석결과를 통해 확인할 수 있다. 1 (a) to 1 (c) show the development of DC discharge according to the inter-electrode distance IED. It can be seen that a positive column appears and expands as the inter-electrode distance IED increases (FIGS. 1B and 1C). FIG. 1 (d) shows the interelectrode electric field (IEEF) according to the interelectrode distance (IED). As the interelectrode distance (IED) decreased from 35 mm to 5 mm, the interelectrode electric field (IEEF) increased from 263 V / cm to 940 V / cm. This trend is explained by the thermal electron emission of the cathode. When the interelectrode electric field (IEEF) is increased, the particle size of the diamond crystals is significantly reduced (see Table 1), which can be confirmed by HR-TEM analysis results as shown in FIG.
전형적인 UNCD 구조는 전극간 전계(IEEF)가 가장 큰 IED가 5mm일 때 얻어지며(도 2(a)), 반면 전극간 거리(IED)가 커지면 입자크기가 큰 다이아몬드결정 구조가 얻어진다(도 2(b), (c)). SAED(selected area electron diffraction) 패턴, 면간격(interplanar spacing)(도 2 참고), NEXAFS 분석 결과는 이러한 결과를 뒷받침한다. 전극간 전계(IEEF)와 다이아몬드결정 입자크기의 밀접한 연관성은 방전시 전자와 이온이 입자크기 제어에 중요한 역할을 함을 의미한다. A typical UNCD structure is obtained when the IED with the largest interelectrode electric field (IEEF) is 5 mm (Fig. 2 (a)), while a diamond grain structure with a large particle size is obtained as the inter-electrode distance (IED) is increased (Fig. 2). (b), (c)). Selected area electron diffraction (SAED) patterns, interplanar spacing (see FIG. 2), and NEXAFS analysis results support these findings. The close relationship between the interelectrode electric field (IEEF) and the diamond grain size means that electrons and ions play an important role in controlling the grain size during discharge.
입자크기 제어에 관한 전자 및 이온의 역할은 다양한 방전영역에 대한 광방출광학기(OES) 분석결과를 통해 확인할 수 있다. 도 3에서 388.8nm, 486.7nm, 656.3nm에서의 방출피크는 CH[B2Σ-X2π], Hβ, Hα의 방출피크이며, 도 4는 도 3의 결과를 이용한 것으로서, 전극간 전계(IEEF)에 따른 ICH/IHα를 나타낸 것이다. The role of electrons and ions in particle size control can be confirmed by the results of optical emission optics (OES) analysis for various discharge regions. In FIG. 3, the emission peaks at 388.8 nm, 486.7 nm, and 656.3 nm are emission peaks of CH [B 2 Σ-X 2 π], H β , H α , and FIG. 4 using the results of FIG. 3. It shows I CH / I Hα according to the electric field (IEEF).
CH방출은 Hα방출보다 낮은 파장(즉, 높은 에너지)에서 일어나기 때문에, ICH/IHα의 증가는 자유전자의 운동에너지 분포가 높은 쪽으로 이동됨을 의미한다. 도 4를 참고하면, ICH/IHα(자유전자의 운동에너지)는 양극영역(anode region), 양광주영역(positive column), 음극영역(cathode region) 중 양극영역 즉, 기판 성장면에서 가장 높다. 이는 자유전자가 양극을 향하여 가속됨에 따라 당연한 결과이다. 나아가, 양극영역에서 ICH/IHα는 전극간 전계(IEEF) 증가에 따라 함께 증가한다. 이러한 결과는 가장 높은 전극간 전계(IEEF)에서 입자크기가 가장 작았던 것(표 1 및 도 2 참고)과 일치하며, 전극간 전계(IEEF)와 입자크기의 연관은 자유전자/이온의 역할에 의존함을 의미한다. 즉, 전자와 이온이 다이아몬드결정 합성시 재핵생성을 강화시키는 역할을 하며, 전자와 이온의 충돌강도에 따라 재핵생성이 강화되거나 감소된다. Since CH emission occurs at a lower wavelength (ie higher energy) than H α emission, an increase in I CH / I Hα means that the kinetic energy distribution of free electrons is shifted to the higher side. Referring to FIG. 4, I CH / I Hα (kinetic energy of free electrons) is the most positive in the anode region, that is, the substrate growth surface among the anode region, the positive column, and the cathode region. high. This is a natural result as free electrons accelerate towards the anode. Further, in the anode region, I CH / I Hα increases with increasing interelectrode electric field (IEEF). This result is consistent with the smallest particle size at the highest interelectrode electric field (IEEF) (see Tables 1 and 2), and the association between the interelectrode electric field (IEEF) and particle size depends on the role of free electrons / ions. It means to depend. In other words, electrons and ions play a role of strengthening the nucleation in the synthesis of diamond crystals, and nucleation is enhanced or reduced according to the collision strength of electrons and ions.
Claims (4)
상기 음극과 양극 사이의 전극간 전계(IEEF)가 커지면 다이아몬드결정의 입자크기가 작아지고, 전극간 전계(IEEF)가 작아지면 다이아몬드결정의 입자크기가 커지는 것을 특징으로 하는 다이아몬드결정의 입자크기 제어방법.
In synthesizing diamond crystals by applying power to the cathode and anode to convert the precursor gas into electrons and ions,
The grain size of the diamond crystal is characterized in that the grain size of the diamond crystal becomes smaller as the interelectrode electric field (IEEF) between the cathode and the anode becomes larger, and the grain size of the diamond crystal becomes larger when the interelectrode electric field (IEEF) becomes smaller. .
The method of claim 1, wherein the strength of the interelectrode electric field (IEEF) decreases when the interelectrode distance (IED) between the cathode and the anode increases, and when the interelectrode distance (IED) decreases, the interelectrode electric field (IEEF). The particle size control method of diamond crystals, characterized in that the strength of the increase.
음극과 양극의 전원 인가에 의해 생성된 전자는 기판을 향하여 이동되며, 이온은 음극을 향하여 이동되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드결정의 입자크기 제어방법.
The method of claim 1, wherein the substrate on which the diamond crystal is grown is provided on the anode, the cathode is provided at a spaced position above the substrate,
Electron generated by the application of the power supply of the cathode and the anode is moved toward the substrate, the ion is moved toward the cathode, the particle size control method of the diamond crystals.
상기 챔버의 하부 및 상부에 각각 구비되어 전원 인가에 의해 전구체 가스를 전자와 이온을 전환시키는 역할을 하는 양극과 음극; 및
상기 양극 상에 구비되어 다이아몬드결정이 성장되는 공간을 제공하는 기판을 포함하여 이루어지며,
상기 양극과 음극 사이의 전극간 거리(IED)는 조절 가능하며,
상기 전극간 거리(IED)가 증가하면 상기 전극간 전계(IEEF)의 세기가 감소하여 다이아몬드결정의 입자크기가 커지고, 상기 전극간 거리(IED)가 감소하면 상기 전극간 전계(IEEF)의 세기는 증가하여 다이아몬드결정의 입자크기가 작아지는 것을 특징으로 하는 다이아몬드결정 입자크기 제어장치. A chamber supplied with a precursor gas to provide a diamond crystal synthesis space;
An anode and a cathode provided at the lower and upper portions of the chamber, respectively, to convert the precursor gas into electrons and ions by applying power; And
It is provided on the anode and comprises a substrate that provides a space for growing diamond crystals,
The interelectrode distance (IED) between the anode and the cathode is adjustable,
As the inter-electrode distance IED increases, the intensity of the inter-electrode electric field IIEF decreases to increase the grain size of the diamond crystal. When the inter-electrode distance IED decreases, the intensity of the inter-electrode electric field IEEF increases. An apparatus for controlling diamond grain size, characterized in that the grain size of the diamond crystal is increased to decrease.
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| DIAMOND AND RELATED MATERIALS, 19 (2010) 1393-1400 * |
| JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 109, 023303 (2011) * |
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