4.2 실험 방법
4.2.1 진공증착법의 실험장치
본 실험에서는 PVD법 중에서 진공증착법을 이용하여 Zn-Mg 박막을 제 작하였다. 진공증착법은 가장 널리 활용되는 방법으로서 증발이나 승화되어 Zn, Mg과 같은 증발물질이 기판으로 이송되어 증착된다. 성막되는 과정은 증발원에서 기판까지 원자, 분자 및 클러스터와 같은 입자로 이송되고, 이러 한 입자가 기판상에 성막이 이루어 진다. 기판상에서 Zn, Mg와 같은 입자들 이 결합상태에 따라서 재배치, 결정성장 및 결정생성이 이루어지게 된다(5). 진공증착법은 Fig. 4.2에서 보는바와 같이 진공쳄버내에서 플라즈마를 형성 하여 증착하는 방법으로서 구체적인 설명은 다음과 같다. Fig. 4.2에서 보는 바와 같이 이 장치는 크게 진공 형성장치, 증발원, 기판홀더 등으로 구성되 어 있다.
Fig. 4.2 Schematic diagram of vacuum evaporation apparatus for Zn-Mg thin films
진공 증착장치의 진공형성은 진공 챔버(Ø270×L240×t20 ㎜) 내를 로터리 펌프(rotary pump)를 이용하여 대기압～1×10-3 Torr까지 배기시킨 후, 충분 히 예열시킨 확산 펌프(oil diffusion pump)를 이용하여 1×10-4～1×10-6 Torr 의 진공을 조성할 수 있게 되어있고, 진공형성 시 진공계측은 저진공 게이 지(convectron, 대기압～10-3 Torr)와 고진공 게이지(ion gauge, 1×10-4～ 1×10-6 Torr)로 계측하도록 설계되어 있다. 증발장치로는 Ta 필라멘트에 의 한 전기저항 가열방식을 사용하고 있고, 가열전원은 0～300 V의 전압을 공 급할 수 있도록 설계되어 있다.
전리전압이상의 에너지를 가지는 전자와 중성원자를 비탄성적으로 충돌시 키면 전자와 중성원자 내의 속박전자는 강한 상호작용을 일으켜, 속박전자는 전리전압이상의 에너지를 얻고, 중성원자로부터 떨어져 나온 중성원자는 이 온화된다. 전자와의 충돌에 이해 높은 에너지 준위를 얻은 금속 및 도입가스 일부는 발광에 의한 방사천이에 의해 기저상태로 되돌아 가지만, 일부는 원 자내에 축적되어서 화학적 활성종으로 변하게 된다(6-8). 이러한 반응을 Zn, Mg원자에 대하여 나타내면 (4.1), (4.2)와 같은 식이 된다.
Mg+ + 2e
Mg + e → Mg + e + hν
Mg* + e → Mg* + e --- (4.1) Mg+ + 2e
Zn+ + 2e
Zn + e → Zn + e + hν
Zn* + e → Zn* + e --- (4.2) Zn+ + 2e
h : Planck's constant, ν : vibration number, * : excitation symbol
이와 같이, 증발금속인 Zn와 Mg은 증발원과 모재사이에 글로방전이 발생 하게 되어 저온 플라즈마가 형성된다. 따라서 이러한 글로방전(glow discharge) 공간에 (4.1), (4.2)식 보다 더 많이 활성화 및 이온화 되어 증발 금속인 Zn, Mg은 다음과 같은 (4.3)의 반응식에 의해서 촉진되어 Zn-Mg 합 금박막이 형성되는 것으로 사료된다.
Zn (vapour) + Mg (vapour)
→ Zn* + Mg* → Zn-Mg* (alloy) → Zn-Mg (solid) --- (4.3) → Zn+ + Mg+ → Zn-Mg (solid)
그리고, Table 4.1은 Zn, Mg과 같은 금속원자 및 Ar, N와 같은 가스원자 에 대한 이온화 에너지를 나타낸 것으로서, 금속원자와 가스원자에 대해서도 동일한 양상으로 발생한다. 이러한 금속원자와 전자와 충돌반응에 의해 글로 우 방전이 발생하고 저온 플라즈마가 형성된다. 또한, 활성화된 이온과 원자 는 중성입자, 가스와 함께 모재에 도달하여 박막을 형성하게 된다.
Table 4.1 Ionization energy of several elements
Element M → M+ M+ → M2+
Ionization energy (eV)
Fe 7.90 16.18
Mg 7.64 15.03
Zn 9.20 21.56
Al 5.94 18.85
Ar 15.68 27.64
N 14.51 29.41
N2 15.8
O2 12.5
H2O 13.0