Investigation of Amorphous Carbon Film Deposition by Molecular Dynamic Simulation

Deposition behavior of hard amorphous carbon film was investigated by molecular dynamic simulation using Tersoff potential which was suggested for the interaction potential between carbon atoms. When high energy carbon atoms were collided on diamond (100) surface, dense amorphous carbon film could be obtained. Physical properties of the simulated carbon film were compared with those of the film deposited by filtered cathodic arc process. As in the experimental result, the most diamond-like film was obtained at an optimum kinetic energy of the incident carbon atoms. The optimum kinetic energy was 50 eV, which is comparable to the experimental observation. The simulated film was amorphous with short range order of diamond lattice. At the optimum kinetic energy condition, we found that significant amount of carbon atom were placed at a metastable site of distance 2.1 $\AA$. By melting and quenching simulation of diamond lattice, it was shown that this metastatic peak is Proportional to the quenching rate. These results show that the hard and dense diamond-like film could be obtained when the localized thermal spike due to the collision of high energy carbon atom can be effectively dissipated to the lattice.

분자 동역학 전산모사에 의한 비정질 탄소 필름의 합성거동 연구

탄소 원자 간의 interaction potential로서 Tersoff에 의해 제안된 반 경험적인 potential을 이용하여 고경질 탄소박막의 합성 거동을 전산 모사하였다. 고에너지의 탄소익사를 diamond (100) 표면에 충돌시켜 고밀도의 비정질 탄소박막을 만들 수 있었으며, 전산모사에 의해 합성된 탄소 박막의 물성과 Shin 등이 발표한 filtered cathodic arc 공정에 의해 합성된 탄소의 물성을 비교하였다. ta-C 합성 실험에서 관찰된 바와 같이 최적의 에너지 영역에서 다이아몬드에 가장 유사한 물성의 필름이 합성되었으며, 이때의 입사원자 에너지인 50 eV 는 실험적으로 최적의 필름이 얻어지는 조건에서의 탄소이온 에너지와 유사하였다. 전산모사에 의해 합성된 박막은 비정질이었으며, 다이아몬드 lattice에 해당하는 short range order를 가지긴 있었다. 그러나, 최적의 에너지 조건에서는 2.1 $\AA$의 거리의 준안정 site에 탄소들이 많이 존재하는 것을 알 수 있었는데, 이는 필름 표면의 국부적 급냉효과가 최대가 되는 조건과 일치하였다. 이러한 결과는 다이아몬드상 카본필름의 합성에 있어서, 고 에너지의 탄소인자가 충돌하면서 발생하는 국소적인 열에너지의 증가가 가장 빨리 제거되는 조건에서 최적의 물성을 가지는 경질탄소 필름이 형성되는 것을 보여주고 있다.