The control of the structure and properties of tetrahedral amorphous carbon films prepared by Filtered Vacuum Arc

Tetrahedral amorphous carbon(ta-C) films were deposited by the filtered vacuum arc(FVA) process. The FVA process has many advantages such as high ionization ratio and the ion energy, which is suitable for dense amorphous carbon film deposition. However, the energy of the carbon ion cannot be readily controlled by manipulating the arc source parameters. In order to control the film properties in wide range, we investigated the dependence of the film properties on the substrate bias voltage. The mechanical properties and the density of the film exhibit the maximum values at about -100 V of the bias voltage. The maximum values of hardness and density were respectively 54$\pm$3 GPa and 3.6$\pm$0.4 g/㎤, which are 3 to 5 times higher than those of the films deposited by RF PACVD or ion beam process. The details of the atomic bond structure were analysed by Raman and NEXAFS spectroscopy. The change in the film properties for various bias voltages could be understood in the view of the $sp^2$ and $sp^3$ bond fraction in the deposited films.

FVA 증착법에 의해 합성된 ta-C 박막의 구조 및 물성 제어

진공 여과 음극 아크(Filtered Vacuum cathodic Arc, FVA) 증착법을 이용하여 초경질 다이아몬드상 카본 박막(tetrahedral amorphous carbon, ta-C)을 합성하였다. FVA 증착법은 이온화율이 높고, 치밀한 다이아몬드상 카본 박막 증착에 적당한 이온 에너지를 갖는 등의 장점을 갖고 있다. 하지만, 이때의 카본 이온 에너지는 아크 소스의 조작만으로는 쉽게 조절되지 못한다는 단점을 갖고 있다. 다양한 물성 조절을 위해, 본 연구에서는 기판에 바이어스 전압을 인가하여 ta-C박막의 기계적 물성을 제어하였다. 기판의 바이어스 전압이 증가함에 따라, 기계적 물성 및 밀도는 바이어스 전압이 -100 V인 경우에 최대값을 보였다. 최대 경도값 및 밀도는 각각 55$\pm$3 GPa, 3.6$\pm$0.4 g/㎤로 이는 RF PACVD나 이온빔으로 증착되는 DLC의 3~5배에 이르는 값이다. 조성 및 구조 분석은 Raman spectroscopy와 NEXAFS spectroscopy를 이용하여 조사하였다. 각 바이어스 전압에 따른 박막의 물성 변화는 박막내의 $sp^2$와 $sp^3$ 혼성결합 분율의 변화의 관점으로 이해할 수 있었다.