KR20230024484A - Method for manufacturing hierarchical Diamond structure using regrowth by etching and Chemical Vapor Deposition - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법 및 그 다이아몬드 구조를 갖는 방열소재에 관한 것이다. The present invention relates to a method for fabricating a hierarchical diamond structure using etching and regrowth by chemical vapor deposition, and a heat dissipation material having the diamond structure.
높은 열전도율을 가진 다이아몬드 소재는 방열재로서의 높은 가능성을 가진다. Diamond material with high thermal conductivity has high potential as a heat dissipation material.
전자회로들의 크기가 작아지고, 점점 집적화 됨에 따라 전자장치들의 발열문제와 그 해결에 대한 연구들이 진행되고 있다. 회로에서의 발열은 곧 성능저하로 이어지기 때문에, 고성능 방열판 및 방열장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 자연에서 발견되는 다이아몬드의 열전도도는 2200 W/(m·K)으로 은(419 W/(m·K))이나 구리(386 W/(m·K)) 보다 월등히 높다.As the size of electronic circuits becomes smaller and increasingly integrated, research on the problem of heat generation in electronic devices and its solution is being conducted. Since heat generation in circuits leads to performance degradation, interest in high-performance heat sinks and heat dissipation devices is increasing. The thermal conductivity of diamond found in nature is 2200 W/(m K), far higher than that of silver (419 W/(m K)) or copper (386 W/(m K)).
화학기상증착법(CVD)를 이용하여 합성 다이아몬드를 코팅하는 기술이 개발되어왔다. 다양한 고체기재 상의 CVD 공정에 의한 다이아몬드 증착은 다양한 특허 문헌에 광범위하게 기술되어 있으며, 연구자들에 의해 광범위하게 연구되어 과학 저널 및 기타 기술 문헌에 발표되었다. CVD 공정에 의한 다이아몬드 성장 공정은 수 개의 기체(H2, Ar, O2, N2, COx, CFx 등)의 혼합물의 반응 하에서 고체 기재 상에 탄소를 함유한 기체 전구물질(즉, CxHy(x= 1 내지 4))의 해리로부터 기인되는 탄소 원자의 증착을 수반한다. 다결정 또는 단결정 CVD 다이아몬드가 제조될 수 있고, 그 결정의 질은 사용되는 기체의 공정 화학 뿐만 아니라 고체기재의 특질 및 상태에 강하게 의존한다.A technique for coating synthetic diamond using chemical vapor deposition (CVD) has been developed. Diamond deposition by CVD processes on various solid substrates has been extensively described in various patent literature, extensively studied by researchers, and published in scientific journals and other technical literature. The diamond growth process by the CVD process is a gaseous precursor containing carbon on a solid substrate under the reaction of a mixture of several gases (H2, Ar, O2, N2, COx, CFx, etc.) 4)) is accompanied by the deposition of carbon atoms resulting from the dissociation of Polycrystalline or single crystal CVD diamond can be produced, the quality of which is strongly dependent on the nature and condition of the solid substrate as well as the process chemistry of the gas used.
또한 CVD를 이용해 합성된 다이아몬드 필름을 에칭함으로써 수직 마이크로 thermal fin 구조를 제작하는 방법은 이미 제시되었다. 이 방법은 에칭 시간의 조절을 통해 수직 다이아몬드 핀의 두께를 제어하는 것을 가능케 하지만, 에칭에 따라 열전달이 일어나는 구조의 표면적이 작아지는 문제점이 있다. In addition, a method for fabricating a vertical micro thermal fin structure by etching a synthesized diamond film using CVD has already been proposed. This method makes it possible to control the thickness of the vertical diamond fins by adjusting the etching time, but there is a problem in that the surface area of the structure where heat transfer occurs according to etching becomes small.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 마이크로 구조를 가진 다이아몬드 핀을 이용하요 방열 성능을 향상시킬 수 있는, 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법 및 그 다이아몬드 구조를 갖는 방열소재를 제공하는데 그 목적이 있다. Therefore, the present invention has been made to solve the above conventional problems, and according to an embodiment of the present invention, a diamond fin having a microstructure is used to improve heat dissipation performance by etching and chemical vapor deposition. Its purpose is to provide a method for manufacturing a hierarchical diamond structure using regrowth and a heat dissipation material having the diamond structure.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 실리콘 웨이퍼와 같은 기판 위에 마이크로 플라즈마 화학기상증착(MPCVD, Microwave Plasma Chemical Vapor Depositio)을 이용하여 다이아몬드 필름을 합성하고, Furnace를 이용하여 고온에서 다이아몬드 필름을 에칭하여 수직 마이크로 핀 모양의 다이아몬드 구조를 만든 후, 한번 에칭한 다이아몬드 핀에 다시 CVD를 적용하여 다이아몬드 필름을 증착하고, 다시한번 에칭하여 새로 자란필름의 일부만 남기고 제거하게 됨으로써, 다이아몬드 수직 마이크로 핀 표면에 새로운 미세 핀들을 생성시켜 표면적을 증가시킬 수 있는, 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법 및 그 다이아몬드 구조를 갖는 방열소재를 제공하는데 그 목적이 있다. And, according to an embodiment of the present invention, a diamond film is synthesized on a substrate such as a silicon wafer using Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition (MPCVD), and the diamond film is etched at a high temperature using a furnace to vertically After creating a micro pin-shaped diamond structure, CVD is applied again to the once-etched diamond pins to deposit a diamond film, and etching is performed again to remove only a part of the newly grown film, thereby creating new fine pins on the surface of the diamond vertical micro pins. Its purpose is to provide a hierarchical diamond structure fabrication method using etching and regrowth by chemical vapor deposition, which can increase the surface area by generating, and a heat dissipation material having the diamond structure.
본 발명의 실시예에 따르면, 계층적 구조의 다이아몬드 핀을 이용하여 기존 방열판 대비 우수한 성능의 방열판을 만들 수 있으며, 비등 열전달에 응용될 경우, 높이에 따른 계층적 다공성 구조를 이용하여 비등 핵의 개수를 최대화할 수 있는, 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법 및 그 다이아몬드 구조를 갖는 방열소재를 제공하는데 그 목적이 있다. According to an embodiment of the present invention, it is possible to make a heat sink with superior performance compared to conventional heat sinks by using hierarchical structured diamond fins, and when applied to boiling heat transfer, by using a hierarchical porous structure according to height, the number of boiling nuclei The object of the present invention is to provide a hierarchical diamond structure fabrication method using etching and regrowth by chemical vapor deposition and a heat dissipation material having the diamond structure, which can maximize .
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 고온에서 공기에 의한 에칭의 효과로 표면의 젖음 특성을 높게 유지하여 뜨거운 표면에서 기체를 빨리 떨어지게 할 수 있어 많은 양의 열을 제거할 수 있고, 구조의 하단부의 강성을 유지하면서 표면적을 늘릴 수 있어 열확산에 유리하며 높은 유량에서도 사용이 가능한, 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법 및 그 다이아몬드 구조를 갖는 방열소재를 제공하는데 그 목적이 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, a large amount of heat can be removed by maintaining high surface wetting characteristics due to the effect of etching by air at a high temperature, so that gas can be quickly released from a hot surface, and a large amount of heat can be removed. The purpose is to provide a method for manufacturing a hierarchical diamond structure using regrowth by etching and chemical vapor deposition, which is advantageous for thermal diffusion and can be used at high flow rates as the surface area can be increased while maintaining rigidity, and a heat dissipation material having the diamond structure. there is.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical problems that are not mentioned will become clear to those skilled in the art from the description below. You will be able to understand.
본 발명의 목적은, 다이아몬드 구조의 제작방법에 있어서, 기판 상에 1차 화학기상증착(CVD)을 통해 1차 다이아몬드 필름을 제작하는 단계; 상기 1차 다이아몬드 필름을 1차 에칭하여 복수의 수직 마이크로 핀을 형성시키는 단계; 상기 복수의 수직 마이크로 핀이 형성된 1차 다이아몬트 필름 상에, 2차 화학기상증착(CVD)을 통해 2차 다이아몬드 필름을 형성시키는 단계; 및 상기 2차 다이아몬드 필름을 2차 에칭하여 복수의 수직 마이크로 핀 각각의 표면에 복수의 미세핀들을 형성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법으로서 달성될 수 있다. An object of the present invention is to provide a method for fabricating a diamond structure, comprising the steps of fabricating a primary diamond film on a substrate through primary chemical vapor deposition (CVD); forming a plurality of vertical micro pins by primary etching the primary diamond film; forming a secondary diamond film on the primary diamond film on which the plurality of vertical micro pins are formed through secondary chemical vapor deposition (CVD); and secondarily etching the secondary diamond film to form a plurality of fine pins on the surface of each of the plurality of vertical micro pins; a hierarchical diamond structure using etching and regrowth by chemical vapor deposition It can be achieved as a manufacturing method.
그리고 상기 기판은 실리콘 웨이퍼이고, 상기 1차 다이아몬드 필름을 제작하는 단계 전에, 상기 웨이퍼에 나노다이아몬드 용액을 이용하여 시딩(seeding)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. The substrate may be a silicon wafer, and the step of seeding the wafer using a nanodiamond solution may be further included before the step of manufacturing the primary diamond film.
또한 상기 시딩하는 단계는, 다이아몬드 시드 용액과 메탄올 혼합용액에 웨이퍼를 넣고 소니케이션 공정을 한 후, 핫 플레이트에 건조하여 시딩을 진행하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the seeding step may be characterized in that the seeding is performed by putting the wafer in a mixed solution of a diamond seed solution and methanol, performing a sonication process, and drying on a hot plate.
그리고 상기 1차 다이아몬드 필름을 제작하는 단계, 및 상기 2차 다이아몬드 필름을 형성시키는 단계 중 적어도 어느 하나에서, 화학기상증착은 마이크로 웨이브 화학기상증착(MPCVD)인 것을 특징으로 할 수 있다. In at least one of the steps of preparing the primary diamond film and forming the secondary diamond film, the chemical vapor deposition may be microwave chemical vapor deposition (MPCVD).
또한 상기 마이크로 웨이브 화학기상증착에서, 수소와 메탄의 비율, 온도, 마이크로웨이브출력, 및 공정시간 중 적어도 하나를 조절하여 설정된 두께 만큼의 다이아몬드 필름을 증착하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, in the microwave chemical vapor deposition, at least one of the ratio of hydrogen and methane, temperature, microwave power, and process time may be adjusted to deposit a diamond film having a set thickness.
그리고 상기 마이크로 웨이브 화학기상증착 공정은 850 ~ 950℃, 1800 ~ 2200W조건에서 7.5 ~ 8.5시간 진행되는 것을 특징으로 할 수 있다. And the microwave chemical vapor deposition process may be characterized in that it proceeds for 7.5 to 8.5 hours at 850 ~ 950 ℃, 1800 ~ 2200W conditions.
또한 상기 1차 에칭 및 상기 2차 에칭은, 다이아몬드 필름을 퍼니스(furnace)에 넣고 80 ~ 120sccm 공기흐름을 주며, 600 ~ 700℃에서 에칭을 진행하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the primary etching and the secondary etching may be characterized in that the diamond film is put in a furnace, an air flow of 80 to 120 sccm is applied, and etching is performed at 600 to 700 ° C.
그리고 상기 1차 에칭은 50 ~ 70분, 상기 2차 에칭은 15 ~ 25분 동안 진행되는 것을 특징으로 할 수 있다. The first etching may be performed for 50 to 70 minutes, and the second etching may be performed for 15 to 25 minutes.
상기 1차 에칭과 2차 증착 사이에 2차 시딩을 추가하여 2차 증착결과를 조절할 수 있다. Secondary deposition results may be controlled by adding secondary seeding between the primary etching and secondary deposition.
또한 상기 2차 증착과 2차 에칭은 설정된 횟수 만큼 반복되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the secondary deposition and secondary etching may be repeated a set number of times.
본 발명의 제2목적은 앞서 언급한 제 1목적에 따른 제작방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 방열소재. A second object of the present invention is a heat dissipation material, characterized in that manufactured by the manufacturing method according to the first object mentioned above.
본 발명의 실시예에 따른 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법 및 그 다이아몬드 구조를 갖는 방열소재에 따르면, 마이크로 구조를 가진 다이아몬드 핀을 이용하여 방열 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다. According to the hierarchical diamond structure fabrication method using etching and regrowth by chemical vapor deposition and the heat dissipation material having the diamond structure according to an embodiment of the present invention, heat dissipation performance can be improved by using a diamond fin having a microstructure have an effect
그리고 본 발명의 실시예에 따른 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법 및 그 다이아몬드 구조를 갖는 방열소재에 따르면, 실리콘 웨이퍼와 같은 기판 위에 마이크로 플라즈마 화학기상증착(MPCVD, Microwave Plasma Chemical Vapor Depositio)을 이용하여 다이아몬드 필름을 합성하고, Furnace를 이용하여 고온에서 다이아몬드 필름을 에칭하여 수직 마이크로 핀 모양의 다이아몬드 구조를 만든 후, 한번 에칭한 다이아몬드 핀에 다시 CVD를 적용하여 다이아몬드 필름으로 증착하고, 다시한번 에칭하여 새로 자란필름의 일부만 남기고 제거하게 됨으로써, 다이아몬드 수직 마이크로 핀 표면에 새로운 미세 핀들을 생성시켜 표면적을 증가시킬 수 있는 효과를 갖는다. In addition, according to the hierarchical diamond structure manufacturing method using etching and regrowth by chemical vapor deposition according to an embodiment of the present invention and the heat dissipation material having the diamond structure, micro plasma chemical vapor deposition (MPCVD, microwave Plasma Chemical Vapor Depositio) to synthesize a diamond film, etch the diamond film at a high temperature using a furnace to create a vertical micro-pin-shaped diamond structure, and then apply CVD to the once-etched diamond pin to form a diamond film. By depositing and etching again, only a portion of the newly grown film is removed, thereby creating new fine pins on the surface of the diamond vertical micro pins, thereby increasing the surface area.
본 발명의 실시예에 따른 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법 및 그 다이아몬드 구조를 갖는 방열소재에 따르면, 계층적 구조의 다이아몬드 핀을 이용하여 기존 방열판 대비 우수한 성능의 방열판을 만들 수 있으며, 비등 열전달에 응용될 경우, 높이에 따른 계층적 다공성 구조를 이용하여 비등 핵의 개수를 최대화할 수 있는 효과를 갖는다. According to the hierarchical diamond structure fabrication method using etching and regrowth by chemical vapor deposition and the heat dissipation material having the diamond structure according to an embodiment of the present invention, a heat sink having superior performance compared to conventional heat sinks using a hierarchical diamond fin. can be made, and when applied to boiling heat transfer, it has the effect of maximizing the number of boiling nuclei using a hierarchical porous structure according to the height.
또한 본 발명의 실시예에 따른 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법 및 그 다이아몬드 구조를 갖는 방열소재에 따르면, 고온에서 공기에 의한 에칭의 효과로 표면의 젖음 특성을 높게 유지하여 뜨거운 표면에서 기체를 빨리 떨어지게 할 수 있어 많은 양의 열을 제거할 수 있고, 구조의 하단부의 강성을 유지하면서 표면적을 늘릴 수 있어 열확산에 유리하며 높은 유량에서도 사용이 가능한 장점을 갖는다. In addition, according to the hierarchical diamond structure fabrication method using etching and re-growth by chemical vapor deposition and the heat dissipation material having the diamond structure according to an embodiment of the present invention, the wetting characteristics of the surface are high due to the effect of etching by air at high temperature. It has the advantage of being able to quickly release gas from the hot surface by maintaining it, removing a large amount of heat, and increasing the surface area while maintaining the rigidity of the lower part of the structure, which is advantageous for heat diffusion and can be used at high flow rates.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법의 흐름도,
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 기판에 1차 CVD 증착을 통해 형성된 1차 다이아몬드 필름의 단면도,
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 1차 에칭을 통해 형성된 수직 마이크로 핀들이 형성된 상태의 단면도,
도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 2차 CVD 증착을 통해 형성된 2차 마이크로 필름의 단면도,
도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 2차 에칭을 통해 형성된 수직 마이크로 핀들 각각의 표면에 미세핀들이 형성된 상태의 단면도,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 계층적 다이아몬드 구조의 SEM 이미지이다. The following drawings attached to this specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention serve to further understand the technical idea of the present invention, the present invention is limited only to those described in the drawings. and should not be interpreted.
1 is a flowchart of a method for fabricating a hierarchical diamond structure using etching and regrowth by chemical vapor deposition according to an embodiment of the present invention;
2a is a cross-sectional view of a primary diamond film formed through primary CVD deposition on a substrate according to an embodiment of the present invention;
2B is a cross-sectional view of a state in which vertical micro fins are formed through primary etching according to an embodiment of the present invention;
2c is a cross-sectional view of a secondary microfilm formed through secondary CVD deposition according to an embodiment of the present invention;
2D is a cross-sectional view of a state in which micro-fins are formed on each surface of vertical micro-fins formed through secondary etching according to an embodiment of the present invention;
3A to 3C are SEM images of a hierarchical diamond structure fabricated according to an embodiment of the present invention.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete and the spirit of the present invention will be sufficiently conveyed to those skilled in the art.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In this specification, when an element is referred to as being on another element, it means that it may be directly formed on the other element or a third element may be interposed therebetween. Also, in the drawings, the thickness of components is exaggerated for effective description of technical content.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.Embodiments described in this specification will be described with reference to cross-sectional views and/or plan views, which are ideal exemplary views of the present invention. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of technical content. Accordingly, the shape of the illustrated drawings may be modified due to manufacturing techniques and/or tolerances. Therefore, embodiments of the present invention are not limited to the specific shape shown, but also include changes in the shape generated according to the manufacturing process. For example, a region shown at right angles may be rounded or have a predetermined curvature. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have attributes, and the shapes of the regions illustrated in the drawings are intended to illustrate a specific shape of a region of a device and are not intended to limit the scope of the invention. Although terms such as first and second are used to describe various elements in various embodiments of the present specification, these elements should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.Terminology used herein is for describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase. The terms 'comprises' and/or 'comprising' used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other elements.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.In describing the specific embodiments below, several specific contents are prepared to more specifically describe the invention and aid understanding. However, readers who have knowledge in this field to the extent that they can understand the present invention can recognize that it can be used without these various specific details. In some cases, it is mentioned in advance that parts that are commonly known in describing the invention and are not greatly related to the invention are not described in order to prevent confusion for no particular reason in explaining the present invention.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법의 흐름도를 도시한 것이다. Hereinafter, a method for fabricating a hierarchical diamond structure using etching and regrowth by chemical vapor deposition according to an embodiment of the present invention will be described. First, FIG. 1 shows a flow chart of a method for fabricating a hierarchical diamond structure using etching and regrowth by chemical vapor deposition according to an embodiment of the present invention.
전체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법은, 실리콘 웨이퍼와 같은 기판 위에 마이크로 플라즈마 화학기상증착(MPCVD, Microwave Plasma Chemical Vapor Depositio)을 이용하여 다이아몬드 필름을 합성하고, Furnace를 이용하여 고온에서 다이아몬드 필름을 에칭하여 복수의 수직 마이크로 핀 모양의 다이아몬드 구조를 만든 후, 한번 에칭한 다이아몬드 핀에 다시 CVD를 적용하여 다이아몬드 필름으로 증착하고, 다시한번 에칭하여 새로 자란필름의 일부만 남기고 제거하게 됨으로써, 다이아몬드 수직 마이크로 핀 표면에 새로운 미세 핀들을 생성시켜 표면적을 증가시킬 수 있도록 한다. Overall, the method for fabricating a hierarchical diamond structure using etching and regrowth by chemical vapor deposition according to an embodiment of the present invention uses micro-plasma chemical vapor deposition (MPCVD) on a substrate such as a silicon wafer. After synthesizing a diamond film, etching the diamond film at a high temperature using a furnace to create a plurality of vertical micro-pin-shaped diamond structures, applying CVD to the once-etched diamond pin to deposit it as a diamond film, and etching again By removing only a part of the newly grown film, it is possible to increase the surface area by creating new micro-fins on the surface of the diamond vertical micro-fins.
보다 구체적으로 기판(1) 상에 1차 화학기상증착(CVD)을 통해 1차 다이아몬드 필름(2)을 제작하게 된다. 도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 기판(1)에 1차 CVD 증착을 통해 형성된 1차 다이아몬드 필름(2)의 단면도를 도시한 것이다. More specifically, the
본 발명의 구체적 실시예에서 기판(1)은 500 ㎛ 두께의 실리콘 웨이퍼일 수 있으며, 균일한 다이아몬드 필름을 만들기 위해, 1차 다이아몬드 필름(2)을 제작하는 단계 전에, 실리콘 웨이퍼에 나노다이아몬드(5nm이하) 용액을 이용하여 시딩(seeding)하는 단계를 포함할 수 있다(S1).In a specific embodiment of the present invention, the
이러한 나노다이아몬드 용액을 이용한 시딩은, 다이아몬드 시드 용액과 메탄올 혼합용액에 웨이퍼를 넣고 소니케이션(sonication) 공정을 한 후, 핫 플레이트에 건조하여 진행한다. Seeding using the nanodiamond solution is performed by putting the wafer in a mixed solution of the diamond seed solution and methanol, performing a sonication process, and then drying the wafer on a hot plate.
그리고 시딩된 웨이퍼를 CVD 챔버에 넣고 마이크로웨이브 플라즈마 화학기상증착(MPCVD) 공정을 진행하여 1차 다이아몬드 필름(2)을 제작하게 된다(S2). Then, the seeded wafer is put into a CVD chamber and a microwave plasma chemical vapor deposition (MPCVD) process is performed to produce a primary diamond film 2 (S2).
이때, 마이크로웨이브 화학기상증착에서, 수소와 메탄의 비율, 온도, 마이크로웨이브출력, 및 공정시간 중 적어도 하나를 조절하여 설정된 두께 만큼의 다이아몬드 필름을 증착할 수 있다. In this case, in the microwave chemical vapor deposition, at least one of the ratio of hydrogen and methane, temperature, microwave power, and process time may be adjusted to deposit a diamond film having a set thickness.
본 발명의 구체적 실시예에서, MPCVD 공정은 900 ℃, 2000 W 조건에서 8시간동안 진행될 수 있으며, 이러한 공정을 통해 약 10 ㎛의 다이아몬드 필름을 증착할 수 있다. In a specific embodiment of the present invention, the MPCVD process may be performed at 900° C. and 2000 W for 8 hours, and a diamond film of about 10 μm may be deposited through this process.
1차 다이아몬드 필름(2)을 증착한 후, 1차 에칭을 진행하여, 복수의 수직 마이크로 핀(11)을 형성시키게 된다(S3). 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 1차 에칭을 통해 형성된 수직 마이크로 핀(11)들이 형성된 상태의 단면도를 도시한 것이다. After the
제작된 1차 다이아몬드 필름(2)을 퍼니스(furnace)에 넣고 100sccm 공기흐름을 주며, 650 ℃에서 1시간 동안 에칭을 진행하게 된다. 이러한 1차 에칭을 통해 도 2b에 도시된 바와 같이, 복수의 수직 마이크로 핀(11)들이 형성되게 됨을 알 수 있다. The prepared
본 발명의 실시예에서는 이러한 1차 에칭후에, 다시 한번 다이아몬드 필름을 증착하는 공정을 진행하게 된다(S4). 즉, 복수의 수직 마이크로 핀(11)이 형성된 1차 다이아몬트 필름(2) 상에, 2차 화학기상증착(CVD)을 통해 2차 다이아몬드 필름(3)을 형성시키게 된다. In the embodiment of the present invention, after the primary etching, a process of depositing a diamond film is performed again (S4). That is, the
이러한 2차 화학기상증착 역시 1차 때와 같이 MPCVD로 진행될 수 있다. 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 2차 CVD 증착을 통해 형성된 2차 마이크로 필름(3)의 단면도를 도시한 것이다. Such secondary chemical vapor deposition may also be performed by MPCVD as in the primary. 2C is a cross-sectional view of a secondary
2차 MPCVD에서도, 수소와 메탄의 비율, 온도, 마이크로웨이브출력, 및 공정시간 중 적어도 하나를 조절하여 설정된 두께 만큼의 2차 다이아몬드 필름(3)을 증착할 수 있다. In the secondary MPCVD, at least one of the hydrogen-methane ratio, temperature, microwave power, and processing time may be adjusted to deposit a
또한 이러한 2차 증착 역시 1차 증착 때와 동일한 조건(퍼니스(furnace)에 넣고 100sccm 공기흐름을 주며, 650 ℃에서 1시간 동안 에칭)에서 증착할 수 있다. In addition, this secondary deposition can also be deposited under the same conditions as the primary deposition (put in a furnace, give an air flow of 100 sccm, and etch at 650 ° C. for 1 hour).
또한 이러한 1차 에칭 후, 2차 MPCVD 공전 전에, 중간에 2차 시딩(seeding) 공정을 더 추가하여 2차 증착결과를 조절할 수 있다. In addition, after the first etching, before the second MPCVD revolution, the second deposition result may be adjusted by further adding a second seeding process in the middle.
그리고 2차 다이아몬드 필름(3)을 2차 에칭하여 복수의 수직 마이크로 핀(11) 각각의 표면에 복수의 미세핀(12)들을 형성시키게 된다(S5). 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 2차 에칭을 통해 형성된 수직 마이크로 핀(11)들 각각의 표면에 미세핀(12)들이 형성된 상태의 단면도를 도시한 것이다. 그리고 도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 계층적 다이아몬드 구조의 SEM 이미지이다. Then, the
도 2d 및 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 2차 에칭 결과 새로 증착된 2차 다이아몬드 필름(3)에서 에칭이 일어나면서 계층적 구조가 형성되어 짐을 알 수 있다. As shown in FIGS. 2D and 3A to 3C , as a result of the secondary etching, it can be seen that the newly deposited
따라서 수직 마이크로 핀(11) 각각의 표면에 복수의 미세핀(12)들을 갖는 계층적 구조의 다이아몬드 핀을 이용하여 방열 성능을 향상시킬 수 있게 된다. Therefore, it is possible to improve heat dissipation performance by using a diamond fin having a hierarchical structure having a plurality of
그리고 앞서 언급한 본 발명의 실시예에 따른 계층적 다이아몬드 구조 제작방법에 따르면, 실리콘 웨이퍼와 같은 기판(1) 위에 MPCVD를 이용하여 1차 다이아몬드 필름(2)을 합성하고, Furnace를 이용하여 고온에서 1차 다이아몬드 필름(2)을 에칭하여 수직 마이크로 핀(11) 모양의 다이아몬드 구조를 만든 후, 한번 에칭한 다이아몬드 수직 마이크로 핀(11)에 다시 MPCVD를 적용하여 2차 다이아몬드 필름(3)으로 증착하고, 다시한번 에칭하여 새로 자란필름의 일부만 남기고 제거하게 됨으로써, 다이아몬드 수직 마이크로 핀(11) 표면에 새로운 미세 핀(12)들을 생성시켜 표면적을 증가시킬 수 있게 된다. And, according to the above-mentioned hierarchical diamond structure fabrication method according to the embodiment of the present invention, a
또한 본 발명의 실시예에 따른 계층적 다이아몬드 구조 제작방법에 따르면, 계층적 구조의 다이아몬드 핀을 이용하여 기존 방열판 대비 우수한 성능의 방열소재를 만들 수 있으며, 비등 열전달에 응용될 경우, 높이에 따른 계층적 다공성 구조를 이용하여 비등 핵의 개수를 최대화할 수 있게 된다. In addition, according to the hierarchical diamond structure fabrication method according to an embodiment of the present invention, a heat dissipation material with superior performance compared to existing heat sinks can be made using a hierarchical diamond fin, and when applied to boiling heat transfer, a layer according to the height The number of boiling nuclei can be maximized by using a red porous structure.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 계층적 다이아몬드 구조 제작방법에 따르면, 표면의 젖음 특성을 높게 유지하여 뜨거운 표면에서 기체를 빨리 떨어지게 할 수 있어 많은 양의 열을 제거할 수 있고, 구조의 하단부의 강성을 유지하면서 표면적을 늘릴 수 있어 열확산에 유리하며 높은 유량에서도 사용이 가능하게 된다. In addition, according to the hierarchical diamond structure fabrication method according to an embodiment of the present invention, a large amount of heat can be removed by maintaining high wetting characteristics of the surface so that gas can quickly separate from the hot surface, and the stiffness of the lower part of the structure can be reduced. It is possible to increase the surface area while maintaining the surface area, which is advantageous for thermal diffusion and can be used at high flow rates.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, the device and method described above are not limited to the configuration and method of the above-described embodiments, but all or part of each embodiment is selectively combined so that various modifications can be made. may be configured.
1:기판
2:1차 다이아몬드 필름
3:2차 다이아몬드 필름
11:수직 마이크로 핀
12:미세핀
100:계층적 다이아몬드 구조1: Substrate
2: Primary Diamond Film
3: secondary diamond film
11: vertical micro pin
12: microfine
100: hierarchical diamond structure
Claims (11)
기판 상에 1차 화학기상증착(CVD)을 통해 1차 다이아몬드 필름을 제작하는 단계;
상기 1차 다이아몬드 필름을 1차 에칭하여 복수의 수직 마이크로 핀을 형성시키는 단계;
상기 복수의 수직 마이크로 핀이 형성된 1차 다이아몬트 필름 상에, 2차 화학기상증착(CVD)을 통해 2차 다이아몬드 필름을 형성시키는 단계; 및
상기 2차 다이아몬드 필름을 2차 에칭하여 복수의 수직 마이크로 핀 각각의 표면에 복수의 미세핀들을 형성시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법.
In the manufacturing method of the diamond structure,
fabricating a primary diamond film on a substrate through primary chemical vapor deposition (CVD);
forming a plurality of vertical micro pins by primary etching the primary diamond film;
forming a secondary diamond film on the primary diamond film on which the plurality of vertical micro pins are formed through secondary chemical vapor deposition (CVD); and
Forming a plurality of fine pins on the surface of each of the plurality of vertical micro pins by secondary etching the secondary diamond film; fabrication of a hierarchical diamond structure using etching and regrowth by chemical vapor deposition, comprising method.
상기 기판은 실리콘 웨이퍼이고,
상기 1차 다이아몬드 필름을 제작하는 단계 전에,
상기 웨이퍼에 나노다이아몬드 용액을 이용하여 시딩(seeding)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법.
According to claim 1,
The substrate is a silicon wafer,
Before the step of producing the primary diamond film,
A hierarchical diamond structure manufacturing method using etching and re-growth by chemical vapor deposition, characterized in that it further comprises the step of seeding the wafer using a nanodiamond solution.
상기 시딩하는 단계는,
다이아몬드 시드 용액과 메탄올 혼합용액에 웨이퍼를 넣고 소니케이션 공정을 한 후, 핫 플레이트에 건조하여 시딩을 진행하는 것을 특징으로 하는 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법.
According to claim 2,
The seeding step is
A method for manufacturing a hierarchical diamond structure using etching and re-growth by chemical vapor deposition, characterized in that a wafer is placed in a mixed solution of a diamond seed solution and methanol, subjected to a sonication process, and dried on a hot plate to proceed with seeding.
상기 1차 다이아몬드 필름을 제작하는 단계, 및 상기 2차 다이아몬드 필름을 형성시키는 단계 중 적어도 어느 하나에서, 화학기상증착은 마이크로웨이브 화학기상증착(MPCVD)인 것을 특징으로 하는 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법.
According to claim 2,
In at least one of the step of manufacturing the primary diamond film and the step of forming the secondary diamond film, chemical vapor deposition is microwave chemical vapor deposition (MPCVD), characterized in that by etching and chemical vapor deposition A method for fabricating hierarchical diamond structures using regrowth.
상기 마이크로웨이브 화학기상증착에서, 수소와 메탄의 비율, 온도, 마이크로웨이브출력, 및 공정시간 중 적어도 하나를 조절하여 설정된 두께 만큼의 다이아몬드 필름을 증착하는 것을 특징으로 하는 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법.
According to claim 4,
Regrowth by etching and chemical vapor deposition, characterized in that in the microwave chemical vapor deposition, depositing a diamond film as much as the set thickness by adjusting at least one of the ratio of hydrogen and methane, temperature, microwave power, and process time Hierarchical diamond structure fabrication method using
상기 마이크로웨이브 화학기상증착 공정은 850 ~ 950℃, 1800 ~ 2200W조건에서 7.5 ~ 8.5시간 진행되는 것을 특징으로 하는 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법.
According to claim 5,
The microwave chemical vapor deposition process is a hierarchical diamond structure manufacturing method using regrowth by etching and chemical vapor deposition, characterized in that proceeding for 7.5 to 8.5 hours at 850 ~ 950 ℃, 1800 ~ 2200W conditions.
상기 1차 에칭 및 상기 2차 에칭은, 다이아몬드 필름을 퍼니스(furnace)에 넣고 80 ~ 120sccm 공기흐름을 주며, 600 ~ 700℃에서 에칭을 진행하는 것을 특징으로 하는 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법.
According to claim 1,
In the first etching and the second etching, the etching and re-growth by chemical vapor deposition, characterized in that the diamond film is put in a furnace, given an air flow of 80 to 120 sccm, and etching is performed at 600 to 700 ° C. A method for fabricating a hierarchical diamond structure using
상기 1차 에칭은 50 ~ 70분, 상기 2차 에칭은 15 ~ 25분 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법.
According to claim 4,
The hierarchical diamond structure manufacturing method using regrowth by etching and chemical vapor deposition, characterized in that the first etching is performed for 50 to 70 minutes and the second etching is performed for 15 to 25 minutes.
상기 1차 에칭과 2차 증착 사이에 2차 시딩을 추가하여 2차 증착결과를 조절하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법.
According to claim 1,
Adjusting the secondary deposition result by adding secondary seeding between the primary etching and secondary deposition; method for fabricating a hierarchical diamond structure using regrowth by etching and chemical vapor deposition, characterized in that it further comprises.
상기 2차 다이아몬드 필름을 형성시키는 단계와 상기 미세핀들을 형성시키는 단계는 설정된 횟수만큼 반복되는 것을 특징으로 하는 에칭과 화학기상증착에 의한 재성장을 이용한 계층적 다이아몬드 구조 제작방법.
According to claim 1,
The method of manufacturing a hierarchical diamond structure using regrowth by etching and chemical vapor deposition, characterized in that the step of forming the secondary diamond film and the step of forming the fine pins are repeated a set number of times.
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