이온 클러스터 빔 ( Ionized Cluster Beam ) 증착에 의한 박막형성

고석근(Seok Keun KOH),임종태(Jong Tae LIM),송석균(Seok Kyun SONG),정형진(Hyung Jin JUNG) 대한금속재료학회 1992 大韓金屬學會會報 Vol.5 No.2

Thermally - Induced Atomic Mixing at the Interface of Cu and Polyimide

고석근(Seok-Keun Koh),최원국(Won-Kook Cboi),송석균(Seok-Kyun Song),배국동(Kook D. Pae),정형진(Hyung-Jin Jung) 한국진공학회(ASCT) 1994 Applied Science and Convergence Technology Vol.3 No.3

Rate of mixing of Cu particles to polyimide substrate at interfaces under different thermal treatments was analyzed by Rutherford Backscattering Spectroscopy using 2.0 MeV He+ ions. The mixing rate was a function of annealing temperature and time, and was constant at a fixed temperature. The amount of mixing increased linearly with time and the mixing rate increased with temperature. The activation energy for interface mixing between Cu and polyimide was 2.6 kcal/mol. The X-ray studies showed the Cu(111) plane peak changed with annealing time at fixed temperature. The mixing of Cu to polyimide was explained with segmental motion of PI chain and with interaction between functional group of the chain and metal electron donor. The comparisons were made between the mixing induced by ion irradiation and by thermal treatment. The various factors affecting the interface mixing are discussed.

1 keV $Ar^+$이온빔으로 개질된 polytetrafluoroethylene (PTFE) 위의 구리 박막 증착

조준식,윤기현,고석근,Cho, Jun-Sik,Yoon, Ki-hyun,Koh, Seok-Keun 한국재료학회 2000 한국재료학회지 Vol.10 No.1

1 keV $Ar^+$ 이온빔을 이용하여 polytetrafluoroethylene (PTFE)의 표면을 개질하고 그 위에 $5000\;{\AA}$의 구리 박막을 이온빔 스퍼터링법을 이용하여 증착하였다. 이온빔 조사에 의하여 PTFE의 표면에는 cone이 형성되며 cone의 높이는 이온 조사량이 증가함에 따라 점차로 증가함을 알 수 있었다. x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 분석을 통하여 조사된 PTFE의 표면에서는 이온 조사량이 증가함에 따라 Fls peak의 강도가 감소하며 이는 F 원자의 선택적인 스퍼터링에 기인한 것으로 생각된다. 또한 이온 조사에 의해 생성된 불안정한 사슬들은 crosslinking에 의하여 새로운 C-F 계열의 결합들을 생성하였다. 이온빔 스퍼터링법에 의하여 증착된 구리 박막은 PTFE 표면의 cone을 따라 균일하게 증착되며 PTFE의 표면 거칠기가 증가함에 따라 (111) 방향으로 우선 성장함을 알 수 있었다. 증착된 구리 박막의 비저항은 개질전 PTFE의 $2.7{\mu}{\Omega}cm$에서 $1{\tiems}10^{16}/\textrm{cm}^2$의 이온 조사량으로 개질된 PTFE의 $4.3{\mu}{\Omega}cm$까지 이온 조사량에 따라 점차로 증가하였다. $1{\tiems}10^{17}/\textrm{cm}^2$의 이온 조사량으로 개질된 PTFE 위에 증착된 구리 박막의 갑작스런 비저항 증가는 구리 박막의 단락에 의한 것으로 보인다. A surface of polytetrafluoroethylene(PTFE) was modified with changing ion doses by 1 keV $Ar^+$ ion irradiation and Cu films having thickness $5000\;{\AA}$ were deposited on the modified PTFE. The SEM study showed that the surface texture of modified PTFE was in the form of cones whose height increased depending on ion doses. Through XPS spectra, it was found that the intensity of F ls peaks decreased with ion doses by preferential sputtering of F atoms and the C-C and / or C-F chains were formed by the crosslinking in the newly unstable chains. Cu films were deposited uniformly along the filaments formed on the modified PTFE. In x-ray diffraction (XRD) spectra of deposited Cu films on modified PTFE, a preferred orientation along (111) and (200) planes was found and the peak intensity of (111) plane increased as surface roughness of modified PTFE increased. The resistivity of Cu films was changed from $2.7{\mu}{\Omega}cm$ of unmodified PTFE to $4.3{\mu}{\Omega}cm$ of modified PTFE at ion dose of $1{\times}10^{16}/\textrm{cm}^2$ and the abrupt increase of resistivity in the modified PTFE at ion dose of $1{\times}10^{17}/\textrm{cm}^2$ was due to being cut off the film which resulted from the increased surface roughness.

이온보조반응법에 의한 Polyethylene(PE) 표면의 친수성 증가

석진우(Jin-Woo Seok),최성창(Sung-Chang Choi),장홍규(Hong-Gui Jang),정형진(Hyung-Jin Jung),최원국(Won-Kook Choi),고석근(Seok-Keun Koh) 한국진공학회(ASCT) 1997 Applied Science and Convergence Technology Vol.6 No.3

고분자 Polyethylene(PE) film 표면을 1 keV의 산소 이온 빔만을 사용하여, 또는 산소 분위기에서 1 keV의 아르곤 이온 빔으로 조사하는 이온보조반응(ion assisted reaction)법을 이용하여 개질을 하였다. 개질된 polyethylene 표면의 친수성(wettability)과 표면 에너지를 측정하기 위해 접촉각 측정기(contact angle micrometer)를 사용하였으며, 개질 된 표면의 화학적 변화를 측정하기 위해 x-ray photoelectron spectroscopy(XPS)를 이용하였다. 표면 개질을 위한 이온 조사량은 1×10¹⁴-1×10^(17) ions/㎠, 산소 가스는 0~4 sccm(ml/min.) 까지 변화 시켰다. 산소 이온 빔만으로 조사 후 polyethylene 표면과 물과의 접촉각은 95˚에서 최대 62˚까지 변화하였으며, 산소를 4 sccm(ml/min.) 주입하면서 아르곤 이온 빔으로 조사하면 물과의 접촉각이 최대 28˚까지 감소하였으며, 이 때 이온 조사량은 1×10^(17) ions/㎠ 이었다. 또한 polyethylene을 산소 이온 빔으로만 표면 개질시 표면 에너지는 작은 증가를 보였으며, 산소 분위기에서 아르곤 이온 빔으로 표면 개질 하였을 때에는 표면 에너지가 2배에 가까운 증가를 하였다. 이와 같은 표면의 친수성과 표면 에너지의 증가는 이온보조반응법에 의해 polyethylene의 표면을 산소 분위기에서 아르곤 이온 빔으로 조사한 시료의 XPS의 spectra 결과로 보아 PE의 표면에 C-O 또는 C=O와 관련된 결합의 증가로 인한 친수성 작용기가 polyethylene 표면에 형성되었기 때문이라고 사료된다. Surface of polyethylene film was modified by ion assisted reaction in which ion beam is irradiated on polymer in reactive gas environments. Ion (argon and oxygen) beam energy was 1 keV, doses were varied from 1×10¹⁴-1×10^(17) ions/㎠, and amount of blowing oxygen from 0 to 4 sccm(ml/min). Wettability was measured by water contact angle measurement, and the surface functionality was analyzed by x-ray photoelectron spectroscopy. The contact angles of water to polyethylene modified by oxygen ion beam only decrease from 95 to degrees, and surface energy was not changed much. The contact angles remarkably decrease to 28 degrees and surface energy increase to 67 erg/㎠ when the films were modified by argon ion with various ion doses with blowing oxygen gases near the polyethylene surface. Improvement of wettability and surface energy are mainly due to the new functional group formation such as C-O or C=O, which are known as hydrophilic groups from the XPS analysis, and the ion assisted reaction is very effective to attach oxygen atoms to form functional groups on C-C bond chains of polyethylene.

전극 구조 변화에 따른 Cold Hollow Cathode Ion Source의 특성 변화

석진우,한성,백영환,고석근,윤기현,Seok, Jin-Woo,Chernysh, V.S.,Han, Sung,Beag, Young-Hwoan,Koh, Seok-Keun,Yoon, Ki-Hyun 한국세라믹학회 2003 한국세라믹학회지 Vol.40 No.10

직경 5 cm cold hollow cathode 이온원을 박막의 이온보조증착법 또는 이온보조반응법에 사용하기에 적합한 이온빔으로 넓은 면적을 균일하게 조사할 수 있는 이온원을 설계, 제작하기 위한 방안으로 연구하게 되었다. 이온원은 글로우 방전을 위한 음극과 이온화 효율의 증가를 위한 자석, 플라즈마 챔버, 그리드 전극으로 이루어진 이온광학시스템, 직류전원공급장치로 이루어진다. 전자인출전극의 구조 및 형태로 구분하여 한개의 노즐로 이루어진 (I) 형태와 복수개의 노즐로 변형된 (II) 형태로 제작하였다. 서로 다른 구조의 전자인출전극 (I)형태와 (II) 형태를 부착한 이온원에 beam profile을 측정한 결과 (I) 형태의 전자인출전극을 부착한 경우에는 이온원의 중심에서 140 $\mu\textrm{A}$/$\textrm{cm}^2$으로 측정되어 졌으며, 외곽으로 멀어질수록 급격히 전류밀도가 감소하여 균일한 영역(최대값의 90%)은 직경 5 cm로 측정되어졌다. (II) 형태로 변형되어진 이온원의 경우 중심에서 65 $\mu\textrm{A}$/$\textrm{cm}^2$으로 (I) 형태와 비교하여 상대적으로 낮은 전류밀도가 측정되었지만 외각으로 멀어졌을 경우에도 전류밀도는 완만하게 감소하여 균일한 영역은 직경 20 cm로 측정되었으며, 본 연구목적에 부합되는 특성이 측정되었다. 이온빔 균일도가 증가한 (II) 형태의 전자인출전극을 부착한 이온원으로 주입하는 아르곤 가스량의 변화, 이온광학시스템의 플라즈마 그리드 전극과 가속 그리드 전극 간격의 조절, 이온빔 에너지 변화에 따른 beam profile 및 특성을 괸찰하였다. The inner-diameter 5 cm cold hollow cathode ion source was designed for the high current density and the homogeneous beam profile of ion beam. The ion source consisted of a cylindrical cathode, a generation part of magnetic field, a plasma chamber, convex type ion optic system with two grid electrode, and DC power supply system. The cold hollow cathode ion sources were classified into standard type (I), electron output electrode modified type (II). The operation of the ion source was done with discharge current, ion beam potential and argon gas flow rate. The modification of electron output electrode resulted in uniform plasma generation and uniform area of ion beam was extended from 5 cm to 20 cm. Improved ion source was evaluated with beam uniformity, ion current, team extraction efficiency, and ionization efficiency.

이온보조반응에 의한 금속과 불소계 고분자의 접착력 증진

한성,조준식,최성창,윤기현,고석근,Han, Sung,Cho, Jun-Sik,Choi, Sung-Chang,Yoon, Ki-Hyun,Koh, Seok-Keun 한국진공학회 2001 Applied Science and Convergence Technology Vol.10 No.1

Polyvinylidenefluoride and Polytetrafluoroethylene have been irradiated by 1 keV Ar+ ion beam in an $O_2$ environment. Hydrophilic functional groups (such as -(C-O)-,-(C=O)-,-(C=O)-O- and so on) were formed on fluoropolymers. Contact angles of water to PVDF were reduced from $75^{\circ}$ to $31^{\circ}$. Re-increase of contact angle was originated from carbonization phase in case of high dose irradiation above $1{\times}10^{16} Ar^+cm^2$. Contact angles to PTFE decreased at low dose irradiation and were exaggerated to about $140^{\circ}$ due to cone type surface at high dose irradiation. Hydrophilic functional groups have played an important role on adhesion between metal and fluoropolymers by acid-base interaction and chemical bond formation. Adhesion of Pt/PVDF was enhanced by acid-base interaction because Pt is inert metal. Chemical bond formation between Cu and PTFE could enlarge the adhesion strength of Cu/PTFE. 반응성 산소 분위기에서 불소계 고분자에 1 keV 아르곤 이온을 조사하였다. 이온 조사에 의하여 발생한 free radical과 산소 기체와의 화학 반응에 의하여 표면에 -(C-O)-,-(C=O)-,-(C=O)-O-등의 친수성 작용기가 생성되었으며 PVDF에 대한 물의 접촉각은 $75^{\circ}$에서 $31^{\circ}$로 감소하였다. 그러나 이온조사량이 큰 경우 고분자 표면에 탄화 상이 형성됨으로써 접촉각은 다시 $65^{\circ}$로 증가하였다. PTFE에 대한 접촉각은 초기에 감소하였다가 표면 거칠기가 급격히 증가함에 따라 접촉각은 더욱 크게 나타났다. 이온 조사에 의하여 표면에 형성된 극성 작용기에 의해 PVDF와 Pt의 접착력은 급격히 증가하였으며 이는 산-염기 상호작용 때문이다. PTFE와 Cu의 경우, 극성 작용기와 금속간의 화학적 결합에 의하여 접착력이 크게 증가하였다.

Surface Modification of Polymethylmethacrylate(PMMA) by Ion-assisted reaction

정선,조준식,최성창,고석근,Jung, Sun,Cho, Jun-Sik,Choi, Sung-Chang,Koh, Seok-Keun Materials Research Society of Korea 1999 한국재료학회지 Vol.9 No.5

고분자 Polyrnethylrnethacryla te (PMMA) 의 표연에 친수성올 가지게 하기 위하여 600 eV에서 1000 e V의 이온범 과 반웅성 분위기 기체플 이용하는 이용 보조 반웅 (ion assisted reaction) 법으로 개질 하였다. 아르곤 이옴범만율 조사한 시료의 접촉각은 $68^{\circ} to $35^{\circ}$ 까지 접촉각이 낮아졌으며, 산소기체 분위기로 풀어 넣어주며 아르곤 이온빔으로 처리된 시료는 19。까지 정 촉각이 강소하였다. 산소 아온만으로 처리한 경우는 산소 분위기에서 아르곤 이온으로 조사한 경우와 비슷한 접촉각 변화를 냐타내며, 산소 분위기에서 산소이옹올 이용하여 시료를 처리한 경우 $68^{\circ}$이던 표면 접촉각이 $1\times10^{17} ions/cm^2$의 이온 에너지 조사 후에 $14^{\circ}$까지 강소하였다. 표면에너지는 아르곤 이온만으로 조사된 경우에 비하여 산소 분위기에서 조사한 경우와 산소 이온올 이용하여 조사한 경우에서 증가하였으며 산소 분위기에서 산소 이온으로 조사된 경우가 초기 46 dyne/cm 에서 72 dyne/cm로 증가하였으며 표면에너지의 증가는 dispersion force의 증가보다는 polar force의 증가에 의한 것으로 보인다. 이온빔으로 처리된 시료의 정 촉각 강소와 표변에너지의 증가는 x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 의 spectra 결과로부터 PMMA의 표면에 C-O 결합의 증가로 인한 친수성 작용기가 표면에 형성되었기 때문이라고 생각된다. 이온법 조사 후 대기 중에 보관된 시료의 접촉각은 시간이 경과함에 따라 증가하지만, 물 속에 보관된 시료의 경우는 이온빔 처리된 후의 접촉각올 그대로 유지하였다. 또한 표면에너지의 경우도 대기 중에 보관된 시료의 경우는 시간의 경과함에 따라 polar force의 강소에 의해 표면에너지는 감소하였으나, 물 속에 보관된 경우는 표면에너지에 큰 변화가 없었다. 이로부터 접촉각과 표면에너지의 시간에 따른 변화도 이온빔 조사에 의해 형성된 친 수성기에 크게 의존함을 알 수 있다. Surface of Polymethylmethacrylate (PMMA) was modified by ion assisted reaction in which ion beam of Ar or$ O_2$is irradiated on polymer in reaction gas environment. Ion beam energy was changed from 600 to 1000eV, and ion doses were varied from $5\times10^{14} ions/cm^2 to 1\times10^{17} ions/cm^2$. Contact angle and surface energy of modified PMMA were measured by contact angle micrometer using distilled water and formamide. In the case of $Ar^+$ ion irradiation only, the contact angle reduced from $68^{\circ} to $35^{\circ}$ and the surface energy was changed from 46 dyne/cm to 60 dyne/cm. The contact angle significantly decreased to $14^{\circ}$and the surface energy increased to 72 dyne/cm when the surface of PMMA was modified by oxygen ion irradiation in oxygen gas environment. Improvement of wettability results from the formation of new hydrophilic group which is identified as C-O chain by XPS analysis. Recovery of wettability in dry air and maintenance of it in water condition were explained in view of the formation of hydrophilic group.

ICB seeding에 의한 CVD Cu 박막의 증착 및 특성 분석

윤경렬,최두진,김석,김기환,고석근,Yoon, Kyoung-Ryul,Choi, Doo-Jin,Kim, Seok,Kim, Ki-Hwan,Koh, Seok-Keun 한국재료학회 1996 한국재료학회지 Vol.6 No.7

ICB 공정으로 선행 증착한 Cu Seeding 층이 이후의 CVD 공정으로 증착하는 최종의 Cu 박막의 기계적 전기적 특성에 미치는 영향을 고찰하였고, seening을 하지 않은 CVD-Cu 박막과의 특성을 비교하였다. seeding 층을 형성한 경우의 CVD-Cu 박막에 있어서 증착 속도가 증가하였으며, grain 크기의 균일성도 향상되는 경향을 보였다. 증착된 Cu 박막은 seening에 무관하게 모두 FCC 우선배향인 (111)의 결정배향을 나타냈으며, seeding 우에 성정된 박막의 경우 $I_{111}/I_{200}$비가 향상되었다.$ 180^{\circ}C$의 동일 조건하에서 증착하는 경우 $40\AA$ seeding층 위에 성장한 박막의 전기비저항이 $2.42\mu$$\Omega$.cm로 낮은 값을 나타내었으며, 130$\AA$ seeding 경우는 오히려 전기비저항이 증가하는 경향을 나타내었다. Cu 박막의 접착력은 seeding층의 두께가 $0\AA$에서 $130\AA$으 증가함에 따라 21N에서 27N 으로 향상되었다. Cu films were deposited by chemical wapor deposition on the as-received substrates (TiN/Si) and three kinds of Cu-seeded substrates (Cu/TiN/Si) which had seeding layer in the thick ness of 5 ${\AA}$ and 130 ${\AA}$ coated by ICB(Ionized Cluster Beam) method. The effect of Cu seeding layers on the growth rate, crystallinity, grain size uniformity and film adhesion strength of final CVD-Cu films was investigated by scanning eletron microscopy(SEM), X-ray diffractometry and scratch test. The growth rate was found to incresase somewhat in the case of ICB-seeding. The XRD patterns of the Cu films on the as-received substrate and ICB Cu-seeded substrates exhibited the diffraction peaks corresponding to FCC phase, but the peak intensity ratio($I_{111}/I_{200}$) of Cu films deposited on the ICB Cu-seeded substrates increased compared with that of Cu films on the as-received substrate. The resistivity of final Cu film on 40 ${\AA}$ seeded substrate was observed as the lowest value, 2.42 $\mu\Omega\cdot$cm compared with other Cu films. In adhesion test, as the seeding thickness increased from zero to 130 ${\AA}$, the adhesion strength increased from 21N to 27N.

질소와 암모니아 존재하에서 1 keV 에너지의 알곤과 수소 이온 조사에 의한 PTFE(polytetrafluoroethylene)의 표면형상 변화연구

유대환,김기환,강동엽,김중수,고석근,김현주,Yeu, Dae-Hwan,Kim, Ki-Hwan,Kang, Dong-Yeob,Kim, Joong-Soo,Koh, Seok-Keun,Kim, Hyun-Joo 한국재료학회 2006 한국재료학회지 Vol.16 No.6

Polytetrafluoroethylene (PTFE) surface was modified for improving hydrophilicity by ion irradiation in environmental gas of $N_2$ and $NH_3$, respectively. The water contact angle onto the PTFE surface increased from $104{\circ}$ to over $140{\circ}$ by Ar ion irradiation in $N_2$ gas. In the case of $NH_3$ as environmental gas, there were a slight increase of contact angle from ion dose of $1{\times}10^{15}\;to\;5{\times}10^{15}\;ions/cm^2$, and its dramatic decrease to the value of 35o at the conditions of ion dose higher than $1{\times}10^{16}\;ions/cm^2$. It was found from SEM results that the surface morphology of PTFE was changed into one with filament structure after Ar ion irradiation in $N_2$ gas environments. On the contrary, Ar ion irradiation in $NH_3$ gas condition induced the PTFE surface with network structure. Hydrogen ion irradiation resulted in a little change of PTFE surface morphology, comparing with the case of Ar ion irradiation. The water contact angle of hydrogen ion irradiated PTFE surface in reactive gas decreased with increment of ion dose. Hydrogen ion irradiation could improve hydrophilicity with little change of surface morphology. It might be considered from FT-IR results that the improvement in wettability of PTFE surface by ion irradiation in $N_2$ and $NH_3$ gases could be due to the hydrophilic groups of NHx bonds.

이온빔 보조 증착법을 이용항 제작된 SnO$_2$에 초박막 Pd가 첨가된 박막형 가스센서의 메탄가스 감지특성

조정,조준식,윤기현,김현주,최원국,정형진,고석근,Cho, Jung,Cho, Jun-Sik,Yoon, Ki-Hyun,Kim, Hyun-Joo,Choi, Won-Kook,Jung, Hyung-Jin,Koh, Seok-Keun 한국세라믹학회 1998 한국세라믹학회지 Vol.35 No.8