KR200199402Y1 - Diamond formation method by laser ablation combined with high voltage discharge plasma cvd - Google Patents
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- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
Abstract
본 고안은 수소가스 하에서 기판 상에 다이아몬드를 생성 시, 플라즈마 밀도를 높이고 박막 증착 속도 효율을 증가시키기 위하여 플라즈마 존을 반응기로 둘러 쌓이게 한 과정을 추가로 포함하는, 레이저 발생원인 엑시머(Eximer) 또는 야그(YAG) 레이저(1)로부터 발생된 레이저 빔(2)을 렌즈(3)로 집광하여 진공 챔버(4) 내에 위치한 별도의 회전용 전동기(5)가 불필요한 고정된 고순도 그라파이트 타깃(6)에 조사 시 그 표면에 발생하는 애블레이션 현상(레이저 플륨(7))과 이와 동시에 그라파이트 캐소우드(6)와 그라파이트 애노드(8) 사이에 발생하는 방전 플라즈마(9)가 혼합되도록 결합시킨 방법으로, 발생 플라즈마(9) 중심부의 높은 온도로 인해 별도의 기판가열기(10)로 가열치 않고 그라파이트 애노드(8) 위에 놓인 기판(11)상에 다이아몬드를 형성 시, 플라즈마 존(Zone)을 둘러 쌓이게 한 반응기(12)를 두는 과정과 외부에서 진공 챔버(4) 내부에 위치한 반응기(12)속으로 일정 수소가스를 가이드 튜브(13)로 공급하여 다량의 원자 수소가 기판(11) 상에서 효율적으로 그 기능을 발휘하게 하여 양질의 다이아몬드 박막 또는 벌크를 형성시키는 장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention further includes a process of enclosing a plasma zone in a reactor to increase plasma density and increase thin film deposition rate when generating diamond on a substrate under hydrogen gas. The laser beam 2 generated from the (YAG) laser 1 is condensed by the lens 3 and irradiated onto the fixed high purity graphite target 6 which is unnecessary for a separate rotary motor 5 located in the vacuum chamber 4. The generation plasma is formed by combining the ablation phenomenon (laser plume 7) occurring on the surface thereof and the discharge plasma 9 generated between the graphite cathode 6 and the graphite anode 8 at the same time. (9) Plasma when diamonds are formed on the substrate 11 overlying the graphite anode 8 without being heated by a separate substrate heater 10 due to the high temperature at the center. The process of placing the reactor 12 encircling the zone and supplying a constant hydrogen gas to the guide tube 13 into the reactor 12 located inside the vacuum chamber 4 from the outside, a large amount of atomic hydrogen is substrate It further comprises an apparatus for efficiently exerting its function on (11) to form a high quality diamond thin film or bulk.
Description
본 고안은 레이저 애블레이션법과 고전압 방전 플라즈마 CVD(chemical vapor deposition)법을 특수하게 결합시킨 레이즈마 혼합 방식의 새로운 방식에 의한 양질의 다이아몬드의 형성 장치에 관한 것이다. 좀더 상세히 설명하면, 본 고안에 있어서, 상기한 두 방법을 상호보완적으로 특수하게 결합시키는 과정을 포함하고, 고전압 방전 플라즈마 밀도를 높이고 박막 증착 속도 및 효율을 증가 시켜 보다 단시간 내에 양질의 다이아몬드를 기판 위에 형성시키기 위하여 플라즈마 존을 특수 열처리 제작된 유리 반응기(제4도)로 둘러 쌓이게 한 과정과, 상기한 증착 과정 중에 원자 수소가 기판 상에서 효율적으로 그 기능을 발휘하게 하고 원자 수소의 발생 효율을 증대시키기 위하여 수소 가스를 플라즈마 중심부 즉, 다이아몬드 박막이 형성되는 기판 가까이 까지 공급될 수 있도록 특별한 가이드 튜브로 공급하는 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 양질의 다이아몬드 박막 또는 벌크의 형성 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a device for forming a diamond of high quality by a novel method of a laser mixing method in which a laser ablation method and a high voltage discharge plasma chemical vapor deposition (CVD) method are specifically combined. In more detail, in the present invention, the method includes a process of specifically combining the above two methods, and increases the high-voltage discharge plasma density and increases the thin film deposition rate and efficiency to produce a high-quality diamond substrate in a shorter time. The plasma zone was enclosed by a specially heat-treated glass reactor (FIG. 4) for forming on the substrate, and the atomic hydrogen effectively functions on the substrate during the deposition process and the generation efficiency of atomic hydrogen is increased. The present invention relates to a device for forming a high quality diamond thin film or bulk, further comprising supplying hydrogen gas to a special guide tube so that hydrogen gas can be supplied to a plasma center, that is, near a substrate on which a diamond thin film is formed.
종래에는 기판 상에 다이아몬드 박막을 형성시키기 위해서는 일정 수소 분위기 하에서의 플라즈마 CVD법을 주로 사용하였다. 수소 분위기 하에서 다이아몬드를 성장시키게 되면, 수소 원자가 기판 상에 다이아몬드 구조를 지닌 sp3탄소 형성을 촉진하므로 품질이 우수한 다이아몬드 박막을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 한편 최근에는, 상기한 플라즈마 CVD법 이외에 레이저 애블레이션법이 그 장치의 구조가 간단하고, 그라파이트 타깃으로부터 방출되는 입자들의 높은 운동에너지 때문에 보다 낮은 기판 온도에서도 결정을 성장시킬 수 있다는 장점으로 인해, 각종 박막 성장에 응용되고 있는 추세에 있다.Conventionally, in order to form a diamond thin film on a board | substrate, the plasma CVD method in constant hydrogen atmosphere was mainly used. When diamond is grown in a hydrogen atmosphere, it is known that hydrogen atoms promote the formation of sp 3 carbon having a diamond structure on a substrate, thereby obtaining a diamond film having excellent quality. On the other hand, in recent years, in addition to the above-described plasma CVD method, the laser ablation method has a simple structure of the apparatus, and because of the high kinetic energy of the particles emitted from the graphite target, crystals can be grown even at lower substrate temperatures. It is being applied to thin film growth.
제1도와 제2도는 각각, 레이저 애블레이션 방법과 플라즈마 CVD법에 의해 다이아몬드 박막을 형성하는 과정을 나타낸 개략도로서, 제1도에 도시 된 바와 같이, 종래의 레이저 애블레이션 방법에서는, 엑시머 레이저 등의 레이저 발생원(1)으로부터 발생된 레이저 빔(2)을 렌즈(3)로 집광하여 진공 챔버(4) 내에 위치한 구동용 전동기(5)에 의해 저속 회전하고 있는 그라파이트 타깃(6) 표면에 조사하고, 레이저빔의 조사에 의해 그라파이트 타깃(6) 표면으로부터 튀어나온 입자들을 기판 가열기(10) 위에 위치한 기판(11) 상에 다이아몬드 박막을 형성시키게 된다. 제2도에 도시 된 바와 같이 종래의 플라즈마 CVD법에서는 일정 간격 떨어진 두 평판 형상 고 순도 그라파이트 전극(6과 8) 사이에 고압을 인가하면 캐소우드(6)로부터 수많은 여기 된 탄소 입자들이 방출 되게 되고, 이들 입자들이 기판 가열기(10) 위에 위치한 기판(11) 상에 증착하게 되어 다이아몬드 박막을 형성시키게 된다.1 and 2 are schematic diagrams showing a process of forming a diamond thin film by a laser ablation method and a plasma CVD method. As shown in FIG. 1, in a conventional laser ablation method, an excimer laser or the like is shown. The laser beam 2 generated from the laser generation source 1 is condensed by the lens 3 and irradiated onto the surface of the graphite target 6 which is rotating at low speed by the driving motor 5 located in the vacuum chamber 4, Particles protruding from the surface of the graphite target 6 by the irradiation of the laser beam forms a diamond thin film on the substrate 11 located on the substrate heater 10. As shown in FIG. 2, in the conventional plasma CVD method, when a high pressure is applied between two flat high purity graphite electrodes 6 and 8 spaced apart from each other, numerous excited carbon particles are released from the cathode 6. These particles are then deposited on the substrate 11 located above the substrate heater 10 to form a diamond thin film.
그러나, 상기한 레이저 애블레이션 만의 방법을 사용하여 기판 상에 다이아몬드 박막을 형성하는 종래의 방법은, 그라파이트 타깃(6)에 레이저 빔(2)을 조사하여 방출된 탄소 입자들을 기판(11) 상에 증착 시킬 때 다이아몬드 상 (diamond phase: sp3)과 그라파이트 상 (graphite phase: sp2, sp)이 혼재되어 양질의 다이아몬드 박막을 얻을 수 없다는 한계를 지니고 있었다. 이러한 기술적인 한계로 인해, 레이저 애블레이션 방법에 의해 증착된 다이아몬드 박막은 플라즈마 CVD법에 의해 얻어지는 박막에 비해 제반 특성 (기계적 특성, 열적 특성, 전기 전자적 특성 등)이 뒤떨어져, 레이저 애블레이션 방법이 상기한 바와 같이 낮은 기판온도에서 증착할 수 있다는 장점이 있음에도 불구하고, 산업적으로 널리 사용되지 못하고 있는 실정이다. 또한, 플라즈마 CVD 만의 방법으로 얻어진 다이아몬드 박막은 품질이 우수하지만 얻어지는 시간이 많이 걸린다는 점으로 인해 생산비용이 많이 든다는 단점이 있었다. (0.1mm 크기의 다이아몬드를 성장시키는데 약 40~50 시간 정도 소요)However, in the conventional method of forming a diamond thin film on a substrate by using the above laser ablation method, the carbon particles emitted by irradiating the laser target 2 on the graphite target 6 are discharged onto the substrate 11. In the deposition, the diamond phase (sp 3 ) and the graphite phase (sp 2 , sp) were mixed and had a limitation that a high quality diamond thin film could not be obtained. Due to this technical limitation, the diamond thin film deposited by the laser ablation method is inferior to the thin film obtained by the plasma CVD method (mechanical characteristics, thermal characteristics, electro-electronic characteristics, etc.), so that the laser ablation method is Although there is an advantage in that it can be deposited at a low substrate temperature as described above, the situation is not widely used industrially. In addition, the diamond thin film obtained by the plasma CVD method alone has a disadvantage in that the production cost is high due to the high quality but the long time required to obtain. (It takes about 40 ~ 50 hours to grow 0.1mm diamond)
본 고안은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로, 본 고안의 목적은 레이저 애블레이션 방법으로 기판 상에 다이아몬드 박막 형성 시 상기한 제반 특성이 뒤떨어지는 것을 극복하고, 플라즈마 CVD법으로 기판 상에 다이아몬드 박막을 형성시킬 시, 본 고안에서 특수 고안된 장치로 여기효율 및 증기 증착 효율을 극대화 시켜 보다 단시간 내에 보다 좋은 품질의 다이아몬드 박막과 벌크를 형성시킬 수 있는 장치를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention was devised to improve the problems of the prior art as described above, and an object of the present invention is to overcome the inferior characteristics mentioned above when forming a diamond thin film on a substrate by a laser ablation method, The purpose of the present invention is to provide a device that can form a better quality diamond thin film and bulk in a shorter time by maximizing excitation efficiency and vapor deposition efficiency with a device specially designed in the present invention when forming a diamond thin film on a substrate. .
본 고안자는 첫째로 플라즈마 CVD법에서는 기판 상에 다이아몬드 박막이 형성 시, 주위에 존재하는 수소원자가 그라파이트 상(sp 또는 sp2)의 탄소의 형성을 억제하고 다이아몬드 상(sp3)의 탄소 형성을 촉진한다는 점과, 둘째로 레이저 애블레이션 방법에서는 그 장치의 구조가 간단하고, 방출된 탄소 입자들의 운동에너지가 높아 낮은 기판 온도에서도 결정화를 이룰 수 있다는 점들이 상호 보완적인 관계에 있다는 착안으로부터 상기한 두 방법을 동시에 동일 챔버 내에서 이루어지도록 하면서 다이아몬드 박막을 형성시킬 경우 기판 상에는 보다 낮은 기판온도에서보다 더 빠른 시간 내에 보다 순수한 다이아몬드 상을 함유한 양질의 박막과 벌크를 얻을 수 있다는 판단에서 본 고안을 완성하기에 이르렀다.Firstly, in the plasma CVD method, when a diamond thin film is formed on a substrate, hydrogen atoms in the surroundings inhibit the formation of carbon in the graphite phase (sp or sp 2 ) and promote the carbon formation in the diamond phase (sp 3 ). Secondly, the laser ablation method is complementary to the fact that the structure of the device is simple and the kinetic energy of the emitted carbon particles is high so that crystallization can be achieved even at low substrate temperature. When the diamond thin film is formed while the method is performed in the same chamber at the same time, the present invention is completed in the judgment that a high quality thin film and bulk containing a pure diamond phase can be obtained on the substrate in a faster time than at a lower substrate temperature. It came to the following.
도1은 종래의 레이저 애블레이션법에 의한 다이아몬드 박막 형성 개략도1 is a schematic diagram of diamond thin film formation by a conventional laser ablation method
도2는 종래의 고전압 방전 플라즈마 CVD법에 의한 다이아몬드 박막 형성 개략도Figure 2 is a schematic diagram of diamond thin film formation by a conventional high voltage discharge plasma CVD method
도3은 본 고안의 레이즈마(Lasma) 혼합법에 의한 다이아몬드 박막과 벌크형성과정 개략도Figure 3 is a schematic diagram of the diamond thin film and the bulk forming process by the Lasma mixing method of the present invention
도4는 본 고안에서 고안 설계된 반응기의 세부 결합도Figure 4 is a detailed coupling of the reactor designed and designed in the present invention
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1: 레이저 발생원 2: 레이저 빔1: laser source 2: laser beam
3: 집광 렌즈 4: 진공 챔버3: condenser lens 4: vacuum chamber
5: 타깃 구동형 전동기 6: 그라파이트 타깃 (캐소오드)5: Target driven motor 6: Graphite target (cathode)
7: 레이저 플륨 8: 애노드 (기판 홀더)7: laser plum 8: anode (substrate holder)
9: 플라즈마 존(Zone) 10: 기판 가열기9: plasma zone 10: substrate heater
11: 기판 12: 반응기11: substrate 12: reactor
12a: 연결 컨넥터 12b: 레이저 빔 조사용 구멍12a: connection connector 12b: hole for laser beam irradiation
12c: 타깃과 반응기 고정용 나사구멍12c: screw hole for fixing target and reactor
12d: 케소우드와 인입도체연결용 나사구멍12d: Screw hole for connecting the cathode and lead conductor
13: 수소 가스 가이드 튜브 14: 구동형 반사경13: hydrogen gas guide tube 14: driven reflector
상기한 고안의 목적을 달성하기 위해, 본 고안에 따른 레이저 애블레이션 방법과 수소 가스 하에서의 고전압 방전 플라즈마 CVD법의 독특한 결합 방식에 의한 다이아몬드의 형성장치는, 고전압 공급 장치로 일정 간격으로 이격된 두 순수(99.999 %) 그라파이트 전극에 높은 전압을 인가해 반응기내부에 방전 플라즈마를 발생시켜 주위의 수소 가스를 들뜬 상태의 원자수소로 만들어 캐소우드로부터 방출된 수많은 탄소원자와 뒤섞임과 동시에, 레이저 원으로부터의 레이저빔을 그라파이트 타깃(캐소우드)에 조사하여 플라즈마 내부에서 기판쪽으로 높은 운동에너지를 가진 탄소 입자들을 튀어나오게 해 플라즈마 내부의 원자수소와 뒤섞이게 하고, 이 뒤섞인 입자들을 플라즈마 한가운데에 위치한 기판 상에 증착시켜 다이아몬드 박막 또는 벌크를 형성하는 레이저 애블레이션 방법과 고전압 방전 플라즈마 CVD법을 결합시킨 레이즈마 혼합 방법에 의한 다이아몬드 박막 또는 벌크 형성방법에 있어서, 상기한 증착 과정 중에 플라즈마 밀도를 증가 시켜 증착 효율 및 속도를 향상시키기 위해 고안된 고온 열처리된 유리 반응기로 플라즈마 존을 애워 싸도록 하는 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기한 수소 원자가 기판 상에서 효율적으로 그 기능을 발휘하게 하고 원자 수소의 발생 효율을 증대시키기 위하여 수소 가스를 다이아몬드 박막이 형성되는 기판 가까이 까지 공급할 수 있도록 유도하기 위해 특별한 가이드 튜브를 사용하는 것과, 고정된 타깃에 레이저빔을 조사할 때, 그 타깃이 회전하고 있는 상태와 동일한 효과를 발휘하게 하도록 하기 위해선 구동형 반사경을 사용하는 것이 바람직하다.In order to achieve the object of the present invention, the diamond forming apparatus by the unique combination of the laser ablation method and the high voltage discharge plasma CVD method under hydrogen gas according to the present invention, two pure water spaced at regular intervals by a high voltage supply device (99.999%) A high voltage is applied to the graphite electrode to generate a discharge plasma inside the reactor, making the surrounding hydrogen gas into excited atomic hydrogen, mixed with numerous carbon atoms emitted from the cathode, and laser from the laser source. The beam is irradiated onto a graphite target (causwood) to cause carbon particles with high kinetic energy to protrude from the inside of the plasma to the substrate, mixing with the atomic hydrogen inside the plasma, and depositing the mixed particles on a substrate located in the middle of the plasma. Forming diamond thin film or bulk In the diamond thin film or bulk formation method by the laser mixing method combined with the laser ablation method and the high voltage discharge plasma CVD method, a high temperature heat treatment designed to improve the deposition efficiency and speed by increasing the plasma density during the deposition process described above. And further enclosing the plasma zone with a glass reactor. At this time, to use the special guide tube to induce the hydrogen gas to be supplied close to the substrate on which the diamond thin film is formed in order to make the above-described hydrogen atoms to effectively function on the substrate and increase the generation efficiency of atomic hydrogen, When irradiating a laser beam to a fixed target, it is preferable to use a drive type reflector in order to make the target exert the same effect as that of the rotating state.
이하 본 고안의 장치를 도면을 참고하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the device of the present invention will be described with reference to the drawings.
도1는 종래의 레이저 애블레이션법에 의해 다이아몬드 박막 형성 개략도, 도2는 종래의 고전압 방전 플라즈마 CVD법에 의한 다이아몬드 박막 형성 개략도, 도3은 본 고안의 레이즈마(Lasma) 혼합법에 의한 다이아몬드 박막과 벌크형성과정 개략도 및 도4는 본 고안에서 고안 설계된 반응기의 세부 결합도를 도시한 것이며, 레이저 발생원(1), 레이저빔(2), 집광렌즈(3), 진공 챔버(4), 타깃구동형전동기(5), 그라파이트 타깃(캐소오드)(6), 레이저플륨(7), 애노드(기판 홀더)(8), 플라즈마존(Zone)(9), 기판가열기(10), 기판(11), 반응기(12), 연결컨넥터(12a), 레이저빔조사용구멍(12b), 타깃과 반응기 고정용 나사구멍(12c), 케소우드(6)와 인입도체(12e) 연결용 나사구멍(12d), 수소가스 가이드튜브(13), 구동형 반사경(14)을 나타낸 것임을 알 수 있다.1 is a schematic diagram of diamond thin film formation by a conventional laser ablation method, FIG. 2 is a schematic diagram of diamond thin film formation by a conventional high voltage discharge plasma CVD method, and FIG. 3 is a diamond thin film by the Lasma mixing method of the present invention. Figure 4 is a schematic diagram of the bulk forming process and the detailed coupling of the reactor designed and designed in the present invention, the laser source (1), laser beam (2), condenser lens (3), vacuum chamber (4), target drive Type motor 5, graphite target (cathode) 6, laser plume 7, anode (substrate holder) 8, plasma zone 9, substrate heater 10, substrate 11 , Reactor 12, connecting connector 12a, laser beam irradiation hole 12b, target and reactor fixing screw hole 12c, screw hole 12d for connecting the cathode 6 and the lead conductor 12e, It can be seen that the hydrogen gas guide tube 13 and the driving reflector 14 are shown.
도3에 도시한 바와 같이, 진공챔버(4)의 내부중앙에 형성된 기판(11)과, 상기 기판(11)하부에 형성된 애노드(기판홀더)(8)와, 상기 애노드(8) 하부에 형성된 여기된 수소를 공급하는 수소가이드튜브(13)와, 상기 기판(11) 위에 형성되어 박막을 형성하는 레이저플륨(7)과, 상기 레이저플륨(7)을 형성시키며, 레이저빔(2)에 의해 조사되는 그라파이트타킷(캐소오드)(6)과, 상기 그라파이트타킷(캐소오드)(6)을 지지하는 (타킷구동형전동기(5)가 불필요함) 지지대와, 상기 그라파이트타킷(캐소오드)(6)와 기판(11)사이에서 다이아몬드를 형성시키는 장소인 플라즈마존(9)과, 상기 플라즈마존(9)를 둘러쌓은 반응기(12)와, 상기 진공챔버(4)의 하부 일단에 형성되어 레이저빔(2)을 발사하는 레이저발생원(1)과, 상기 레이저 발생원을 집광시키는 집광렌즈(3)와, 상기 집광된 레이저를 반사하여 타깃 표면에 조사하는 구동형반사경(14)과, 그 반대 일측에 형성된 진공펌프로 구성되어 있으며,As shown in FIG. 3, a substrate 11 formed in the inner center of the vacuum chamber 4, an anode (substrate holder) 8 formed under the substrate 11, and a lower portion of the anode 8 are formed. A hydrogen guide tube 13 for supplying the excited hydrogen, a laser plume 7 formed on the substrate 11 to form a thin film, and the laser plume 7, and formed by the laser beam 2 The graphite target (cathode) 6 to be irradiated, the support for supporting the graphite target (cathode) 6 (the target drive motor 5 is unnecessary), and the graphite target (cathode) 6 ) Is formed in the plasma zone 9, the reactor 12 surrounding the plasma zone 9, and the lower end of the vacuum chamber 4. (2) a laser generating source (1) for firing, a condensing lens (3) for condensing the laser generating source, and the focused beam To reflect that consists of a powered mirror (14), a vacuum pump provided on the opposite side of irradiating a target surface,
도4는 상기 원통형의 반응기(12) 결합상태를 나타낸 것으로서, 진공챔버 외부에서 내부로 고압용 절연 애자 중심부를 통해 연결된 인입도체(12e)와 연결컨넥터(12a)로 타깃캐소오드와 결합된 반응기 몸체와 연결되어 있으며, 상기 타깃캐소우드와 인입도체를 내장할 수 있는 연결컨넥터(12a)와, 상기 연결컨넥터(12a)의 상부 중간에 형성되며 그라파이트타킷(캐소오드)(6)와 연결시키는 케소우드와 인입도체 연결용 나사구멍(12d) 및 타깃과 반응기 고정용 나사구멍(12c)과, 상기 반응기(12) 원통형 몸체 측면에 형성되어 있으며, 레이저빔(2)이 조사되는 레이저빔조사용구멍(12b)으로 구성되어 있는 것이다.4 is a view illustrating a state in which the cylindrical reactor 12 is coupled, and a reactor body coupled to a target cathode by a lead conductor 12e and a connection connector 12a connected through a high-pressure insulator center from the outside of the vacuum chamber to the inside thereof. A connection connector 12a which is connected to the target connector and the lead conductor, and is formed at an upper middle of the connection connector 12a and connects to a graphite target (cathode) 6. A screw hole 12d for connecting the lead conductor and a target and a screw hole 12c for fixing the reactor, and a laser beam irradiation hole 12b that is formed on the side of the cylindrical body of the reactor 12 and to which the laser beam 2 is irradiated. It is composed of).
본 고안에 따른 레이저 애블레이션 방법과 고전압 방전 플라즈마 CVD법의 혼합방식에 의한 다이아몬드 박막 또는 벌크 형성방법에서는, 상기한 두 종류의 방법이 서로의 장단점이 상호 보완적이 되도록 특수하게 결합시키고, 수소 분위기 하에서 기판(11)상에 다이아몬드 박막 또는 벌크를 형성 시, 박막 증착 속도 및 효율을 증가시키고 양질의 다이아몬드를 형성시키기 위하여 플라즈마 존(9)를 고온 열처리된 유리 반응기(제4도 참조)(12)로 애워 싸도록 하는 과정을 추가로 포함하는 것과 상기한 원자 수소가 기판(11) 상에서 효율적으로 그 기능을 발휘하게 하고 원자 수소의 발생 효율을 증대시키기 위하여 수소 가스를 다이아몬드 박막이 형성되는 기판 가까이 까지 공급할 수 있도록 유도하기 위해 특별한 가이드 튜브를 사용하는 과정을 포함하는 별도의 장치를 부설한 다음, 본 고안에 따른 레이저 애블레이션 방법과 수소 가스 하에서의 고전압 방전 플라즈마 CVD법의 독특한 결합 방식에 의한 다이아몬드 박막 및 벌크 형성 방법은,In the diamond thin film or bulk forming method by the laser ablation method and the high voltage discharge plasma CVD method according to the present invention, the above two kinds of methods are specially combined so that their advantages and disadvantages are complementary to each other, and under a hydrogen atmosphere. When forming a diamond thin film or bulk on the substrate 11, the plasma zone 9 is heated to a high temperature heat-treated glass reactor (see FIG. 4) to increase the thin film deposition rate and efficiency and to form a high quality diamond. And the hydrogen gas to be supplied close to the substrate on which the diamond film is to be formed so as to further include the enveloping process and to effectively perform the above-described atomic hydrogen function on the substrate 11 and increase the generation efficiency of atomic hydrogen. A separate process involving the use of special guide tubes to guide the After the device of the present invention, the diamond thin film and the bulk forming method by the unique combination of the laser ablation method and the high voltage discharge plasma CVD method under hydrogen gas according to the present invention,
작동방법은 먼저 진공챔버(4)내를 플라즈마 존(9)를 고온 열처리된 유리반응기(제4도 참조)(12)로 애워 싸도록 하는 과정을 추가로 포함하는 것과 상기한 원자 수소가 기판(11) 상에서 그 기능을 효과적으로 발휘토록 하기 위해 가이드 튜브로 기판 가까이 까지 공급하도록 하는 과정을 추가하고,The method of operation further comprises first enclosing the plasma zone 9 in the vacuum chamber 4 with a high temperature heat-treated glass reactor (see FIG. 4) 12 and wherein the atomic hydrogen is 11) add a process to feed close to the substrate with a guide tube to effectively perform its function on
고전압 파워 공급 장치로 일정 간격 이격된 두 순수 흑연 전극간에 고전압을 인가해 방전 플라즈마를 발생시켜 수소가스가이드튜브(13)를 통해 공급된 주위의 수소 가스를 들뜬 상태의 원자수소로 만들어, 캐소우드(6)로부터 방출되는 탄소원자와 뒤섞임과 동시에,A high voltage is applied between two pure graphite electrodes spaced at regular intervals by a high voltage power supply device to generate a discharge plasma, thereby making the surrounding hydrogen gas supplied through the hydrogen gas guide tube 13 into excited atomic hydrogen, At the same time as the carbon atoms emitted from
발생원(1)으로부터 발생된 레이저 빔(2)을 렌즈(3)로 집광 해, 구동형 반사경(14)의 반사면의 기울기를 원하는 각도로 조절해, 레이저 빔(2)을 흑연 타깃(캐소우드)(6)에 조사하여 플라즈마 내부에서 기판쪽으로 높은 운동에너지를 가진 탄소 입자들을 튀어나오게 해 플라즈마 내부의 원자 수소와 뒤섞이게 하고, 이 뒤섞인 입자들을 플라즈마 한가운데에 위치한 기판(11) 상에 증착시켜 다이아몬드 박막 또는 벌크를 형성하는 레이저 애블레이션 방법과 고전압 방전 플라즈마 CVD법과의 혼합 방법에 의한 다이아몬드 박막 또는 벌크 형성방법인 것이다.The laser beam 2 generated from the generating source 1 is condensed by the lens 3, the inclination of the reflecting surface of the driving reflector 14 is adjusted to a desired angle, and the laser beam 2 is adjusted to the graphite target (the cathode). (6) to protrude carbon particles with high kinetic energy from the inside of the plasma to the substrate, mixing them with atomic hydrogen inside the plasma, and depositing the mixed particles onto the substrate (11) located in the middle of the plasma. It is a diamond thin film or bulk formation method by the mixing method of the laser ablation method which forms a thin film or a bulk, and the high voltage discharge plasma CVD method.
본 고안에서 다이아몬드박막의 형성은 증착 시간을 약 1~2시간정도 실시하게 되면 목적물 표면에 싸이즈가 약 10 마이크로 메타 정도의 수많은 작은 알갱이들이 박막의 형태로 성장하여 증착시키며, 다이아몬드벌크의 형성은 증착 시간을 연장하여 실시하게 되면 목적물 표면에 싸이즈가 약 O.1mm이상의 알갱이들이 벌크 형태로 성장하여 증착시켜 레이저 애블레이션 방법과 고전압 방전 플라즈마 CVD법을 결합시킨 혼합 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드의 박막 또는 벌크를 형성시키는 방법인 것이다.In the present invention, the diamond thin film is formed by depositing about 1 to 2 hours of deposition time, and depositing a large number of small grains having a size of about 10 micrometres on the surface of the target in the form of a thin film. If the extended time is carried out, the grain size of about 0.1 mm or more is grown and deposited on the surface of the target, and the diamond ablation method is characterized by using a combination method of laser ablation method and high voltage discharge plasma CVD method. It is a method of forming a thin film or a bulk.
본 고안은 수소가스 하에서 기판 상에 다이아몬드를 생성 시, 플라즈마 밀도를 높이고 박막 증착 속도 효율을 증가시키기 위하여 플라즈마 존을 반응기로 둘러 쌓이게 한 과정을 추가로 포함하는 레이저 발생원인 엑시머(Eximer) 또는 야그(YAG) 레이저(1)로부터 발생된 레이저 빔(2)을 렌즈(3)로 집광하여 진공 챔버(4) 내에 위치한 별도의 회전용 전동기(5)가 불필요한 고정된 고순도 그라파이트 타깃(6)에 조사 시 그 표면에 발생하는 애블레이션 현상(레이저 플륨(7))과 이와 동시에 그라파이트 캐소우드(6)와 그라파이트 애노드(8) 사이에 발생하는 방전 플라즈마(9)가 혼합되도록 결합시킨 방법으로, 발생 플라즈마(9) 중심부의 높은 온도로 인해 별도의 기판가열기(10)로 가열치 않고 그라파이트 애노드(8) 위에 놓인 기판(11)상에 다이아몬드를 형성 시, 플라즈마 존(Zone)을 둘러 쌓이게 한 반응기(12)를 두는 과정과 외부에서 진공 챔버(4) 내부에 위치한 반응기(12)속으로 일정 수소 가스를 가이드 튜브(13)로 공급하여 다량의 원자 수소가 기판(11) 상에서 효율적으로 그 기능을 발휘하게 하여 양질의 다이아몬드 박막 또는 벌크를 형성하도록 하는 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.When the diamond is formed on a substrate under hydrogen gas, the present invention further includes the process of enclosing the plasma zone with a reactor to increase plasma density and increase thin film deposition rate efficiency. YAG) When the laser beam 2 generated from the laser 1 is condensed by the lens 3 and irradiated to the fixed high purity graphite target 6 which is not necessary, a separate rotary motor 5 located in the vacuum chamber 4 is required. The ablation phenomenon (laser plume 7) generated on the surface thereof and the discharge plasma 9 generated between the graphite cathode 6 and the graphite anode 8 are combined so as to be mixed. 9) When the diamond is formed on the substrate 11 placed on the graphite anode 8 without being heated by a separate substrate heater 10 due to the high temperature in the center, The process of placing the reactor 12 surrounding the zone and supplying a certain amount of hydrogen gas to the guide tube 13 into the reactor 12 located inside the vacuum chamber 4 from the outside, a large amount of atomic hydrogen substrate (11) further characterized in that the step of efficiently exerting its function to form a high quality diamond thin film or bulk.
본 고안에서는 상기한 레이저 애블레이션법 만의 단점을 보완하고, 수소 분위기 하에서 플라즈마 CVD법의 효율을 증가시키기 위해 상기한 두 종류의 형성 방법을 특수하게 결합시키고, 진공 챔버 중심부에 위치한 반응기속의 플라즈마 존을 고온 열처리 제작된 유리 반응기로 둘러쌓게 해, 플라즈마 존의 밀도를 증가 시켜 수소 가스의 여기 효율 및 박막 증착 속도 등을 향상시켜, 발생 플라즈마 중심부의 높은 온도로 인해 별도의 기판가열기로 가열치 않고 그라파이트 애노드 위에 놓인 기판 상에 다이아몬드를 형성 시, 기존의 방법보다 품질이 우수한 다이아몬드 박막 또는 벌크를 제조토록 한 것이다. 반응기 내부기판 근처까지 가이드 튜브에 의해 공급된 수소 가스가 고 밀도 플라즈마 속에서 변한 원자수소에 의해, 그라파이트 상(sp, sp2)을 형성할 탄소 원자들이 원자수소와 반응함으로써 기판에서 탈착하게 되고, 그 결과 기판(4) 상에는 기존의 어떠한 방법보다도 품질이 순수한 다이아몬드 상(sp3) 만이 존재하게 되어, 전기 전자적, 열적, 기계적 특성 등이 보다 향상된 다이아몬드 박막 또는 벌크가 형성되게 된다. 뿐만 아니라 본 고안에서 새롭게 고안된, 레이즈마 혼합 방법은 어떤 재료 표면의 하드 코팅 (hard coating) (예를 들면 전자재료, 절삭공구 등)과 같은, 타 종류의 박막 제조에도 효과적으로 응용될 수 있도록 고안하였다. 특히 최근에는 FED(field emission device) 등의 제작 시 가장 중요한 필드 에미션 팁 (field emission tip)을 사용하지 않는 박막을 제공함으로써, 평판 디스플레이 (flat panel display) 소자로서 크게 각광 받고 있는 다이아몬드 박막 제조 방법으로 응용할 수 있다.In the present invention, in order to compensate for the above-mentioned disadvantages of the laser ablation method and to increase the efficiency of the plasma CVD method under hydrogen atmosphere, the above two types of formation methods are specially combined, and the plasma zone in the reactor located in the center of the vacuum chamber is used. It is enclosed by a glass reactor manufactured by high temperature heat treatment to increase the density of the plasma zone to improve the excitation efficiency of hydrogen gas and the deposition rate of the thin film.The graphite anode is not heated by a separate substrate heater due to the high temperature at the center of the generated plasma. When diamond is formed on an overlying substrate, the diamond thin film or bulk is produced with better quality than conventional methods. Hydrogen gas supplied by the guide tube up to near the reactor inner substrate is desorbed from the substrate by the reaction of atomic hydrogen with carbon atoms to form the graphite phase (sp, sp 2 ) by the atomic hydrogen changed in the high density plasma, As a result, only a diamond phase sp 3 of pure quality is present on the substrate 4, resulting in a diamond thin film or bulk having improved electrical, electronic, thermal, and mechanical properties. In addition, the newly devised rasma mixing method is designed to be effectively applied to other types of thin film manufacturing, such as hard coating (for example, electronic materials, cutting tools, etc.) on any material surface. . In particular, recently, a diamond thin film manufacturing method that has gained great attention as a flat panel display device by providing a thin film that does not use the field emission tip, which is the most important in manufacturing a field emission device (FED), etc. It can be applied as
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