3.3 실험결과 및 고찰
3.3.3 산소 대소 분위기에서 제작한 Zn-Mg 박막의
(1) 산소가 많은 분위기에서 제작한 Zn-Mg 박막의 몰포로지 분석
모재 표면에 O2가 많은 경우에, Zn-Mg 박막의 표면 및 단면형상은 SEM 으로 분석하였고, Zn에 대한 Mg의 함량 증가에 따라 박막의 변화를 분석하 였다. Fig. 3.14는 O2가 많은 분위기에서 Mg함량비에 의해 증착한 Zn-Mg 박막의 표면 및 단면의 SEM사진을 나타내고 있다. Zn에 대한 Mg의 함량이 증가할수록 표면의 결정립은 미세화 경향을 나타냈다. 또한, O2가 많이 존재 하는 경우에 모재와 Zn-Mg 박막 사이의 O2는 모재의 표면 형상에 따라 반 응-결합하여 산화물로 생성된다. O2가 많은 경우 산화물의 영향으로 Zn, Mg 의 증발금속이 모재에 도달하는 양이 줄어들게 되고, 증착금속의 이탈 활성 화에너지(Qdes)가 작아져서 증발금속이 모재에 잔류하는 시간이 짧게된다.
또한, 증착입자와 O2의 결합이 활발히 일어나게 되고, 증착입자의 에너지와 모재에너지에 의해 증착금속의 표면확산이 감소하게 된다. Einstein의 관계식 은 감소된 평균 확산 거리를 계산할 수 있다. Einstein의 관계식은 x=√
2·a·exp[(Qdes-Qd)/2kT], 여기서 a=표면위의 점프거리, Qdes=이탈 활성화 에너지, Qd=표면확산 점프의 활성화에너지, k=볼쯔만 상수, T=절대온도로 표현된다. 따라서, 증착금속의 평균확산 거리가 짧아짐에 따라 핵생성이 활 발하게 되어 증착금속의 결정입자가 작아질 것으로 판단된다. 그러나 Fig.
3.14에서 보는 바와 같이 O2의 양이 많은 경우는 결정입자의 크기가 크게 나타났다. 이와 같은 이유는 모재표면에 두껍게 형성된 FeO와 같은 산화피 막이 증발금속인 Zn, Mg과 충돌하는 과정에서 MgO와 ZnO로 치환반응이 일어나면서 산화피막이 대부분 제거되기 때문으로 사료된다. 따라서 표면에 서 증착금속의 표면확산이 활발하게 진행되어 증착금속의 결정입자의 크기 는 크게 되는 것으로 사료된다.
Specimen
Classification 7.5Mg 10Mg 11Mg 13Mg 14Mg
Morphology
Specimen
Classification 8.5Mg 10Mg 11Mg 13Mg 14Mg
Morphology
Fig. 3.14 SEM surface morphology of Zn-Mg thin film with the Mg composition ratio (7.5∼14% Mg, O2 much)
(2) 산소가 적은 분위기에서 제작한 Zn-Mg 박막의 몰포로지 분석
PVD법에 의해 제작된 Zn-Mg박막의 물리적 성질은 여러가지 증착조건에 따른 박막의 결정배향성 구조, 표면 단면의 몰포로지 변화, 모재에 증착시 Zn, Mg증착금속 입자와 O2, H2O, Ar 등과 같은 잔류기체간의 상호작용에 의해 변화한다. 특히, O2는 박막의 물성변화에 많은 영향을 미치므로, 박막의 제작은 O2의 함량을 적게하여 제작하는 것이 중요하다. Fig. 3.15는 O2가 적 은 분위기에서 Mg함량비에 의해 증착한 Zn-Mg박막의 표면 및 단면의 SEM사진을 나타내고 있다. O2가 적은 경우에, 증발금속인 Zn, Mg이 O2와 결합이 적게되고, 증착금속의 이탈 활성화 에너지가 더 크게된다. 따라서 모 재에는 Zn, Mg증착금속의 표면확산이 활발하게 일어나게 되어 초기에 형성 되는 결정입자의 크기는 클 것으로 사료된다. 그러나, Fig. 3.15와 같이 최종 성장된 금속결정입자의 크기는 산소가 많은 경우에 제작된 박막보다 작게 나타났다. 이와 같은 이유는 박막형성 초기에 모재 표면의 굴곡으로 인하여 큰 결정입자가 형성 되었기 때문이다. 그러나, 증착과정이 반복되면서 흡착 인히비터로 작용하는 Mg의 금속입자들이 표면에너지가 높은 (002)에 우선적 으로 흡착하게 되어 상대적으로 표면에너지가 낮은 (101)면은 결정성장이 이
루어 지게 된다. 따라서 표면에너지가 높은 (002)면의 면적점유율이 증대하 게 되고, Mg의 영향으로 결정입자는 작아지는 것으로 사료된다(11).
(3) Zn-Mg 박막의 입체적 몰포로지 분석
Fig. 3.16은 Mg함량 증가에 따라 제작된 Zn-Mg 박막의 입체적 표면 몰 포로지 AFM사진을 나타내고 있다. 산소의 양이 많은 경우와 산소의 양이 적은 경우의 표면 몰포로지는 Mg의 함량의 증가에 따라 다른 형상을 보이 고 있다. 산소의 양이 많은 경우의 몰포로지는 모재 형상에 따라 결정입자가 큰 형상을 나타내고 있다. 산소의 양이 적은 경우의 몰포로지는 초기에 모재 형상을 따라서 형성하다가 Mg의 흡착인히비터 영향으로 표면에너지가 높은 (002)면이 우선배향되어 결정성장보다 결정생성이 활발히 진행된다. 또한 Mg의 함량이 증가함에 따라 결정립이 작아지는 형상을 보이고 있다. 이와 같이 AFM의 표면 형상도 SEM의 형상과 유하하게 산소가 적인 분위기와 Mg의 함량 증가에 따라 결정립이 미세화 되는 경향을 나타내었다.
Specimen
Classification 7.5Mg 10Mg 11Mg 13Mg 14Mg
Morphology
Specimen
Classification 8.5Mg 10Mg 11Mg 13Mg 14Mg
Morphology
Fig. 3.15 SEM images for top surface and cross section of evaporated Zn-Mg thin film with Mg composition ratio in little oxygen atmosphere
Specimen
Classification 7.5Mg 10Mg 11Mg 13Mg 14Mg
Morphology
Specimen
Classification 8.5Mg 10Mg 11Mg 13Mg 14Mg
Morphology
Fig. 3.16 AFM images for top surface morphology of evaporated Zn-Mg thin film with Mg composition ratio