• Journal of the Korean institute of surface engineering
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• v.49 no.6
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• pp.580-586
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• 2016

Cr-Si-Al-N coating with different Si content were deposited by hybrid physical vapor deposition (PVD) method consisting of unbalanced magnetron (UBM) sputtering and arc ion plating (AIP). The deposition temperature was $300^{\circ}C$, and the gas ratio of $Ar/N_2$ were 9:1. The CrSi alloy and aluminum targets used for arc ion plating and sputtering process, respectively. Si content of the CrSi alloy targets were varied with 1 at%, 5 at%, and 10 at%. The phase analysis, composition and microstructural analysis performed using x-ray diffraction (XRD) and field emission scanning electron microscopy (FESEM) including energy dispersive spectroscopy (EDS), respectively. All of the coatings grown with textured CrN phase (200) plane. The thickness of the Cr-Si-Al-N films were measured about $2{\mu}m$. The friction coefficient and removal rate of films were measured by a ball-on-disk test under 20N load. The friction coefficient of all samples were 0.6 ~ 0.8. Among all of the samples, the removal rate of CrSiAlN (10 at% Si) film shows the lowest values, $4.827{\times}10^{-12}mm^3/Nm$. As increasing of Si contents of the CrSiAlN coatings, the hardness and elastic modulus of CrSiAlN coatings were increased. The morphology and composition of wear track of the films was examined by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy, respectively. The surface energy of the films were obtained by measuring of contact angle of water drop. Among all of the samples, the CrSiAlN (10 at% Si) films shows the highest value of the surface energy, 41 N/m.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.255-255
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• 2016

Resistive random access memory (ReRAM)는 낮은 동작 전압, 빠른 동작 속도, 고집적화 등의 장점으로 인해 차세대 비휘발성 메모리 소자로써 많은 관심을 받고 있다. 최근에 ReRAM 절연막으로 NiOx, TiOx, AlOx TaOx, HfOx와 같은 binary metal oxide 물질들을 적용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, HfOx는 안정적인 동작 특성을 나타낸다는 점에서 ReRAM 절연막 물질로 적합하다고 보고되고 있다. ReRAM 절연막을 형성할 때, 물리 기상 증착 방법 (PVD)이나 화학 기상 증착법 (CVD)과 같은 방법이 많이 이용된다. 이러한 증착 방법들은 고품질의 박막을 형성시킬 수 있는 장점이 있다. 하지만, 높은 온도에서의 공정과 고가의 진공 장비가 이용되기 때문에 경제적인 문제가 있으며, 기판 또는 금속에 플라즈마 손상으로 인한 문제가 발생할 수 있다. 따라서 이러한 문제점들을 개선하기 위해 용액 공정이 많은 관심을 받고 있다. 용액 공정은 공정과정이 간단할 뿐만 아니라 소자의 대면적화가 가능하고 공정온도가 낮으며 고가의 진공장비가 필요하지 않은 장점을 가진다. 따라서 본 연구에서는, 용액공정을 이용하여 HfOx 기반의 ReRAM 제작하였고 $25^{\circ}C$와 $85^{\circ}C$에서 ReRAM의 동작특성에 미치는 compliance current의 영향을 평가하였다. 실험 방법으로는, hafnium chloride (0.1 M)를 2-methoxyethanol에 충분히 용해시켜서 precursor를 제작하였다. 이후, p-type Si 기판 위에 습식산화를 통하여 300 nm 두께의 SiO2 절연층을 성장시킨 후, 하부전극을 형성하기 위해 electron beam evaporation을 이용하여 10/100 nm 두께의 Ti/Pt 전극을 증착하였다. 순차적으로, 제작된 산화물 precursor를 이용하여 Pt 위에 spin coating 방법으로 1000 rpm 10 초, 6000 rpm 30초의 조건으로 두께 35 nm의 HfOx 막을 증착하였다. 최종적으로, solvent 및 불순물을 제거하기 위해 $180^{\circ}C$의 온도에서 10 분 동안 열처리를 진행하였으며, 상부 전극을 형성하기 위해 electron beam evaporation을 이용하여 Ti와 Al을 각각 50 nm, 100 nm의 두께로 증착하였다. ReRAM 동작에서 compliance current가 미치는 영향을 평가하기 위하여 compliance current를 10mA에서 1mA까지 변화시키면서 측정한 결과, $25^{\circ}C$에서는 compliance current의 크기와 상관없이 일정한 메모리 윈도우와 우수한 endurance 특성을 얻는 것을 확인하였다. 한편, $85^{\circ}C$의 고온에서 측정한 경우에는 1mA의 compliance current를 적용하였을 때, $25^{\circ}C$에서 측정된 메모리 윈도우 크기를 비슷하게 유지하면서 더 우수한 endurance 특성을 얻는 것을 확인하였다. 결과적으로, 용액공정 방법으로 제작된 ReRAM을 측정하는데 있어서 compliance current를 줄이면 보다 우수한 endurance 특성을 얻을 수 있으며, ReRAM 소자의 전력소비감소에 효과적이라고 기대된다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 1999.07a
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• pp.211-211
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• 1999

Titanium nitride (TiN) thin films have useful properties including high hardness, good electrical conductivity, high melting point, and chemical inertness. The applications have included wear-resistant hard coatings on machine tools and bearings, decorative coating making use of the golden color, thermal control coatings for widows, and erosion resistant coatings for spacecraft plasma probes. For all these applications as feature sizes shrink and aspect ratios grow, the issue of good step coverage becomes increasingly important. It is therefore essential to manufacture conformal coatings of TiN. The growth of TiN thin films by chemical vapor deposition (CVD) is of great interest for achieving conformal deposition. The most widely used precursor for TiN is TiCl4 and NH3. However, chlorine impurity in the as-grown films and relatively high deposition temperature (>$600^{\circ}C$) are considered major drawbacks from actual device fabrication. To overcome these problems, recently, MOCVD processes including plasma assisted have been suggested. In this study, therefore, we have doposited Ti(C, N) thin films on Si(100) and D2 steel substrates in the temperature range of 150-30$0^{\circ}C$ using tetrakis diethylamido titanium (TDEAT) and titanium isopropoxide (TIP) by pulsed DC plamsa enhanced metal-organic chemical vapor deposition (PEMOCVD) method. Polycrystalline Ti(C, N) thin films were successfully grown on either D2 steel or Si(100) surfaces at temperature as low as 15$0^{\circ}C$. Compositions of the as-grown films were determined with XPS and RBS. From XPS analysis, thin films of Ti(C, N) with low oxygen concentration were obtained. RBS data were also confirmed the changes of stoichiometry and microhardness of our films. Radical formation and ionization behaviors in plasma are analyzed by optical emission spectroscopy (OES) at various pulsed bias and gases conditions. H2 and He+H2 gases are used as carrier gases to compare plasma parameter and the effect of N2 and NH3 gases as reactive gas is also evaluated in reduction of C content of the films. In this study, we fond that He and H2 mixture gas is very effective in enhancing ionization of radicals, especially N resulting is high hardness. The higher hardness of film is obtained to be ca. 1700 HK 0.01 but it depends on gas species and bias voltage. The proper process is evident for H and N2 gas atmosphere and bias voltage of 600V. However, NH3 gas highly reduces formation of CN radical, thereby decreasing C content of Ti(C, N) thin films in a great deal. Compared to PVD TiN films, the Ti(C, N) film grown by PEMOCVD has very good conformability; the step coverage exceeds 85% with an aspect ratio of more than 3.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 1999.10a
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• pp.3-4
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• 1999

최근 산업이 고속도화, 고능률화 및 고정멸화의 추세로 발전함에 따라 우수한 내마모성, 인성, 고온 안정성 및 내구성을 갖는 공구 및 금형을 요구하게 되었다. 그러나 이와같은 성질들은 어떤 단일 재료에서는 얻을 수 없으며 적당한 기판공구나 금혈위에 내마모성 보호피막을 coating함으로 비교적 저렴하게 얻을 수 있다. 화학증착법으로 TiC, TiN등을 증착시킬때에는 $1000^{\circ}C$정도의 반응온도가 필요하며 이러한 증착온도는 모재가 초경합금일때는 문제가 안되나 강재일 경우 모재의 연화와 칫수변화의 문제를 야기시킨다. 최근에는 플라즈마를 사용하여 증착반응온도를 $550^{\circ}C$ 이하로 낮추는 플라즈마 화학 증착볍(PACVD)이 대두되고 있다. 그러나 이 방법어서 는 뚱착하려는 금속원소가 TiCl4의 형태로 공급되고 있으므로 생성된 층이 염소를 포함하고 있다. 이 층에 잔존하는 염소는 층의 기계적 성질을 저하시키고 층내의 stress를 유발시킨다. 또한 HCI개스의 생성으로 인하여 펌프 및 장비의 부식이 촉진 된다 이러한 결점을 극복하기 위하여 금속유기화합물 전구체(metallo-organic precursor)로 $TiCl_4$를 대체하고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있으며 본 연구실에서 이에 대하여 연구한 결과를 소개하고자 한다. diethylamino titanium을 전구체로 사용하여 $H_2,\;N_2,\;Ar$분위기하에서 pulsed d.c.를 사용하는 MO-PACVD에 의하여 $150~250^{\circ}C$의 저온에서 Al 2024 기판에 TiCN층 형 성을 하였다. 전구체 증발온도는 $74~78^{\circ}C$의 온도범위어야 하며 고경도의 코탱층은 54% duty, 14.2kHz, 450V의 조건에서 얻어졌으며 duty, 주파수, 전압이 증가함에 따라 경도는 저하되었다. 이때의 표면 morphology를 SEM으로 조사한바 dome structure가 크게 발달되었음을 알 수 있었다. 본 실험의 온도 범위내에서 얻은 TiCN 증착반응의 활성화에너지는 7.5Kcal/mol이었다. 증착된 TiCN층은 우수한 내마모섣을 나타내었으며 스크래치테스트 결과 17N의 엄계하중을 나타내었다. 본 연구에서 변화 시킨 duty, 주파수, 전압의 범위에서는 층의 밀착력은 크게 변화하지 않았다. titanium isopropoxide를 전구체로 사용하여 Hz, Nz 분위기하에서 d.c.를 사용하는 MO-PACVD에 의하여 Ti(NCO) 코팅층을 SKDll, SKD61, SKH9 공구강에 형성시키는 공정을 개발하였다. 최적의 Ti(NCO) 코탱층을 얻기 위해 유입전구체 부피%의 양은 향착압력의 5%를 넘지 않아야 되고 수소와 젤소 가스비가 1:1일 때 가장 높은 코팅층의 경도값을 나타내었다. 수소와 질소 가스비가 3:7일 때 TiFeCr(NCO)의 복화합물 코팅층이 형성됨을 알 수 있었고 500t의 증착온도에서 얻은 Ti(NCO) 코팅층이 높은 경도값과 좋은 내식성을 나타내었다. 또한 이와같은 Ti(NCO) 코팅공정과 본 실험실에서 개발한 확산층만 형성시키는 plsma nitriding 공정을 결합하여 복합코탱층을 형성하였는데 이 복합코팅층은 고경도와 우수한 내마모성, 내식성 뿐만 아니라 10)N 이상의 뛰어난 밀착력을 나타내었다. 현재 많이 사용되고 있는 PVD법은 step coverage가 좋지 않은 점과 cost intensive p process라는 단점이 있다. MO-PACVD법은 이러한 문제를 해결할 수 있는 방법으로서 앞으로 지속적인 도전이 요구되는 분야이다.

• Nuclear Engineering and Technology
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• v.42 no.6
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• pp.662-669
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• 2010

To develop the manufacturing methods for the blanket first wall (FW) of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) and to verify the integrity of the joint, Be/Cu mockups were fabricated and tested at the KoHLT-1 (Korea Heat Load Test facility), a graphite heater facility located at the Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI). Since Be and Cu joining is the focus of the present study, the fabricated mockups had a CuCrZr heat sink joined with three Be tiles as an armor material, unlike the original ITER blanket FW, which has a stainless steel structure and coolant tubes. Hot isostatic pressing (HIP) was carried out at $580^{\circ}C$ and 100 MPa for 2 hours as the method for Be/Cu joining. Three interlayers, namely, $1{\mu}mCr/10{\mu}mCu$, $1{\mu}mTi/0.5{\mu}mCr/10{\mu}mCu$, and $5{\mu}mTi/10{\mu}mCu$ were applied as a coating to the Be tiles by a physical vapor deposition (PVD) method. A shear test was performed with the specimens, which were fabricated by the same methods as those used to fabricate the mockups. The average values were 125 MPa to 180 MPa, and the samples with the $1{\mu}mCr/10{\mu}mCu$ interlayer showed the lowest value. No defect or delamination was found in the joints of the mockups by the developed ultrasonic test using a flat-type probe with a 10 MHz frequency and a 0.25 inch diameter. High heat flux (HHF) tests were performed at $1.0\;MW/m^2$ heat flux for each mockup using the given conditions, and the results were analyzed by ANSYS-CFX code. For the test criteria, an expected fatigue lifetime about 1,000 cycles was obtained by analysis with ANSYS-mechanical code. Mockups using the interlayers of $1{\mu}mTi/0.5{\mu}mCr/10{\mu}mCu$ and $5{\mu}mTi/10{\mu}mCu$ survived up to 1,100 cycles over the required number of cycles. However, one of the Be tiles in the other two mockups using the $1{\mu}mCr/10{\mu}mCu$ interlayer was detached during the screening test, and others were detached by discharge after 862 cycles. The integrity of the joints using the proposed interlayers was proven by the HHF test, but the other interlayer requires more study before it can be used for the joining of Be to Cu. Moreover, it was confirmed that the measured temperatures agreed well with the analysis temperatures, which were used to estimate the lifetime and that the developed facility showed its capability of the long time operation.