HFCVD 공정의 열유동 전산해석 및 고온표면 온도진단

Abstract

다이아몬드는 매우 안정된 결합구조를 가져 아주 높은 경도를 갖고 있다. 따라서 다양한 산업에 응용되는데, 이 다이아몬드 박막은 주로 HFCVD 공정을 이용해 제조된다. 비록 다이아몬드의 성장 메커니즘에 대해서는 다양한 의견이 있지만, HFCVD 공정의 내부 온도 분포가 다이아몬드 박막의 질에 중요한 영향을 미치는 것이 확인되었다. 따라서 본 연구는 HFCVD 공정의 열유동을 해석하고 고온표면의 온도를 진단하여 최적의 HFCVD 열유동 해석 기법을 개발하기 위해 진행되었다. 실제 HFCVD 공정을 해석하기 전 Hot Filament Chamber를 제작하고 가열된 필라멘트의 열에 의해 형성된 반응기 내부 열유동을 해석하고 진단하였는데, 두 가지 결과의 오차가 ~1.7%로 해석 기법의 타당성을 보였다. 해당 기법을 실제 HFCVD 공정에 적용하였고, 박막실험 결과와 비교하였다. 출력과 필라멘트와 Worktable사이 거리에 따라 계산된 필라멘트 온도는 ~3.5%로 매우 유사하였고, Worktable의 온도는 1,050~1,250 K의 범위에서 변하였다. 박막 실험과 비교하였을 때, 다이아몬드 박막은 12가닥에 필라멘트에 총 16 kW이상의 충분한 출력이 필요하며 모재 근처의 온도는 1,200 ~ 1,300 K의 분포에서 잘 성장함을 보였다. 너무 높은 모재의 온도는 수소원자의 식각성 반응을 촉진하며 박막 성장을 저해하였다. 이처럼 수소원자가 박막의 중요한 역할을 하므로 수소원자의 농도를 예측하여 수소원자의 농도와 박막증착간의 상관관계를 해석하기 위한 모델링 기법을 개발하였다. 수소기체와 필라멘트 및 모재와의 비균질 화학반응을 결합한 열유동 해석 기법은 기존에 보고된 결과와 매우 유사한 결과를 보이며 기법의 타당성을 보였다. 모재근처에서 수소원자 거동 해석을 통해 수소원자 수송 메커니즘을 분석하였는데, 모재 중심에서 가장자리로 열확산에 의해 수소원자는 수송되며 모재 가장자리에서는 대류에 의한 물질 수송의 영향이 증가하는 것을 확인하였다.