5.3 실험결과 및 고찰
5.3.2 Zn 및 Mg 박막의 몰포로지 분석
리를 발생하는 스퍼터 효과가 발생하게 된다. 즉, 원자이동의 증가에 따라 표면 확산이 증가하게 되어 증착된 Zn의 결정립은 바이아스 전압을 인가하 지 않은 것보다 크게 된다. 본 실험에서 제작한 가스압 조건중 진공도가 낮 은 5×10-1 Torr인 경우의 표면 몰포로지는 기판측에 증가한 흡착 인히비터인 Ar 가스의 영향으로 증착입자의 표면확산 및 표면 이동도가 감소되어 결정 립이 작아지는 것으로 사료된다. 즉, 증착입자의 표면에너지의 감소는 결정 성장보다는 결정립 생성위주의 막이 형성되어 상대적으로 미세한 결정립이 생성되는 것으로 사료된다. 따라서, 바이아스 전압을 인가하지 않은 것보다 인가하는 경우에 증착막에 바이아스 효과를 얻을 수 있다. 이와 같은 바이아 스 효과는 증착금속인 Zn와 진공도 조절용 Ar 가스가 바이아스 전압의 전위 차에 의해 가속되어 기판표면에 운동에너지를 가지고 증착한다. 또한, 바이 아스 전압의 인가에 의해 기판 표면에는 이온 봄바드먼트 클리닝이 일어남 과 동시에 스퍼터링 효과, 핵형성 촉진효과, 원자 이동도 증가, 이온주입 효 과, 표면가열 효과 등이 발생하여 증착원자 및 흡착 인히비터의 이온화 및 활성화에 중요한 영향을 미침은 물론 표면 몰포로지의 생성에도 많은 영향 을 미치는 것으로 사료된다. 단면의 형상은 가스압의 증가에 따라 단면의 크 기가 작아지는 것을 알수 있다. 이것은 증착막의 결정립 미세화에 따른 핵성 성 위주의 막이 형성됨으로서 단면의 두께도 감소하는 것으로 사료된다.
Fig. 5.12는 SPCC모재위에 Al 중간층을 삽입하여 제작한 후, 바이아스 전압 을 -200 V로 일정하게 하고, Ar 가스를 변화시키면서 SPCC 모재위에 제작 한 Zn 박막의 표면 및 단면의 몰포로지 사진을 나타내고 있다. Ar 가스압의 증가에 따라 표면 몰포로지는 작아지는 경향을 보이고 있다. 결정입자의 형 태를 보면, 가스압이 5×10-1 Torr인 경우의 표면 몰포로지는 결정립이 미세 하면서 결정립이 뭉쳐져 하나의 덩어리 형태인 아몰포스 구조도 나타난다.
이와 같이 미세한 결정립이 서로 성장해 가면서 충돌하여 더 이상 성장하지 못하면서 아몰포스 구조로 나타나는 것으로 사료된다. 그러나, 진공도를 높 인 상태의 몰포로지를 보면 다음과 같다. 즉, 가스압이 5×10-2 Torr, 5×10-3 Torr인 경우의 표면 몰포로지는 조밀육방정 구조인 HCP 구조의 형태를 나 타내고 있다. Zn의 결정입자구조가 HCP 구조이므로 강판위에 제작된 결정 입자는 명확한 HCP 구조가 나타나야 하지만, Ar 가스를 포함한 잔존가스와
중간층으로 제작된 단순정육면체(simple cubic), 면심입방격자(FCC)구조, 체 심입방격자(BCC)의 다양한 격자구조를 나타내는 Al 중간층의 영향으로 모양 이 일정하지 않는 HCP 구조가 형성되었다. 즉, 결정구조는 원자들의 한 세 트와 격자로 구성된다. 이것으로 형성된 결정구조와 결정구조의 대칭성은 전 자의 밴드구조, 벽개성(cleavage, 갈라짐 현상), 시각적인 성질을 결정짓는 중 요한 역할을 하게 된다. 따라서, 중간층으로 제작된 Al의 다양한 결정구조 위에 형성되는 Zn는 단위 정(unit cell)의 테두리 사이의 길이와 단위정의 각 인 격자변수(lattice parameters)가 변하면서 각이 일정한 육방정구조가 아닌 다각형의 육방정구조로 형성된 것으로 사료된다. Fig. 5.13은 SPCC모재위에 Mg 중간층을 제작한 후, 바이아스 전압을 -200 V로 일정하게 하고, Ar 가 스를 변화시키면서 SPCC 모재위에 제작한 Zn박막의 표면 몰포로지 사진을 나타내고 있다. Al중간층을 삽입하여 제작한 Zn/Al 박막과 달리 Zn/Mg 박 막의 표면 몰포로지는 원형에 가까운 HCP 구조를 나타내고 있다. Fig. 5.14 는 SPCC모재위에 Al, Mg의 중간층을 삽입하여 제작한 후, 바이아스 전압을 -200 V로 일정하게 하고, Ar 가스를 변화시키면서 SPCC 모재위에 제작한 Zn, Zn/Mg, Zn/Al 박막의 표면 몰포로지 사진을 나타내고 있고, Fig. 5.15 는 Zn, Zn/Mg, Zn/Al 박막의 표면 몰포로지 사진을 나타내었다. Fig. 5.16 은 가스압의 증가에 따라 결정입자의 크기가 작아지는 Zn 박막의 몰포로지 크기를 나타낸 그래프를 나타낸 것이다. 이들 박막중 Al 중간층 위에 형성된 증착입자의 크기가 다른 막보다 결정입자의 크기가 상대적으로 작은 것을 알수 있다. Fig. 5.17은 Zn 박막의 단면의 크기를 나타낸 것으로서, 모재 위 에 형성된 막, Al 중간층과 Mg 중간층 위에 형성된 막에 관계 없이 가스압 의 증가에 따라 단면의 두께는 감소하는 것을 알수 있다. 이것은 가스압 증 가에 따라 흡착인히비터로 작용하는 Ar 가스압의 영향으로 분석하면 다음과 같이 설명할 수 있다. Ar 가스압의 증가에 따라 표면에너지가 높은 면에 부 착되는 Ar 가스압의 양은 점점 많아 지게 되므로서, 증착입자가 증착되는 확률은 표면에너지가 낮은 면으로 흡착하여 성장이 이루어 지게 된다. 계속 된 성장은 서로가 충돌할 때 까지 이루어 지다가 성장이 멈추고, 새로운 핵 이 생성되어 반복적으로 결정립이 형성하게 된다. 따라서 단면은 성장보다는 생성 위주의 막이 형성되어 단면의 두께는 감소하는 것으로 사료된다.
Classif.
Ar gas press.
Top surface Cross section
5×10-1 Torr
5×10-2 Torr
5×10-3 Torr
(a) Bias voltage : -200 V
Fig. 5.11 SEM photographs for top surface and cross section of Zn thin film deposited at different Ar gas pressures on SPCC substrate
Classif.
Ar gas press.
Top surface Cross section
5×10-1 Torr
5×10-2 Torr
5×10-3 Torr
(a) Bias voltage : -200 V
Fig. 5.12 SEM photographs for top surface and cross section of Zn/Al thin film deposited at different Ar gas pressures on Al
interlayer
Classif.
Ar gas press.
Top surface Cross section
5×10-1 Torr
5×10-2 Torr
5×10-3 Torr
(a) Bias voltage : -200 V
Fig. 5.13 SEM photographs for top surface and cross section of Zn/Mg thin film deposited at different Ar gas pressures on Mg
interlayer
Ar gas press.
Bias voltage
5×10-1 Torr 5×10-2 Torr 5×10-3 Torr
Zn
Zn/Al
Zn/Mg
Fig. 5.14 SEM photographs for surface morphology of Zn thin film deposited at various Ar gas pressures in bias voltage -200V
Ar gas press.
Bias voltage
5×10-1 Torr 5×10-2 Torr 5×10-3 Torr
Zn
Zn/Al
Zn/Mg
Fig. 5.15 SEM photographs for cross section morphology of Zn thin film deposited at various Ar gas pressures in bias voltage -200 V
1 2 3 4 5
Ar, Zn Ar, Zn/Mg Ar, Zn/Al
Grain size (㎛)
5 x 1 0 - 1 5 x 1 0 - 2 5 x 1 0 - 3
Ar gas pressure ( Torr )
Fig. 5.16 Grain size of Zn thin film deposited at various Ar gas pressures in bias voltage -200 V
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Cross section thickness (㎛)
Ar, Zn Ar, Zn/Mg Ar, Zn/Al
5 x 1 0 - 1 5 x 1 0 - 2 5 x 1 0 - 3
Ar gas pressure ( Torr )
Fig. 5.17 Cross section thickness of Zn thin film deposited at various Ar gas pressures in bias voltage -200 V
(2) Mg 박막의 몰포로지 분석
일반적으로, 진공중에서 제작되는 막은 진공도, 바이아스 전압, 기판 온도 등에 따라 다양한 기하학적인 형태를 나타낸다. 또한, 증착물질 이외에 Ar과 같은 가스입자는 결정핵성장과 생성에 있어서 흡착하여 방해하는 일종의 흡 착 인히비터 역할을 하게 된다(19-21). 따라서, 생성된 박막의 몰포로지를 설명 할때는 이온과 증발원자의 열에너지에 의한 이동뿐만 아니라 Ar과 같은 잔 류가스의 영향도 고려되어야만 한다. 이와 같이 본 논문에서 제작된 Mg 박 막은 바이아스 전압을 일정하게 하고, Ar 가스압 변화에 따라 변화하는 Mg 박막의 몰포로지 변화를 분석하였다.
바이아스 전압을 일정하게 하고, 진공도 변화에 따라 제작된 박막의 표면 몰포로지 사진은 Fig. 5.18∼Fig. 5.21에 나타내었다. 우선, Fig. 5.18은 바 이아스 전압을 일정하게 하고, SPCC 모재위에 제작한 Mg 박막의 몰포로지 를 나타낸 것으로서, Mg의 결정구조인 6각형의 HCP 구조에서 많은 결정핵 들이 결합하여 다각형의 HCP 결정구조가 형성되었다. 또한, 가스압의 증가 에 따라 결정입자의 크기는 점점 작아져 미세하고, 치밀한 조직이 형성되는 것을 알수 있었다. Fig. 5.19는 Al 중간층을 삽입한 Mg 박막을 나타낸 것으 로서, Mg의 전형적인 6각형의 HCP 구조를 나타내고 있다. 이것은 중간층으 로 증착된 Al이 기판표면에서 먼저 성장하여 많은 결정핵이 생성되고, 이온 봄바드먼트 클리닝에 의해 Al 박막은 활성적으로 되고, Al 박막 위에 Mg 입 자들이 형성하면서 전형적인 HCP 구조의 막이 형성된 것으로 사료된다. 또 한, 가스압의 증가에 따라 결정입자의 크기는 미세하고 치밀한 조직으로 변 화되었다. Fig. 5.20은 Zn 중간층을 삽입하고 Mg을 증착한 막을 나타낸 것 으로서, Fe 기판위에 증착한 Mg박막보다 다각형이고, 여러개의 결정핵이 결 합된 구조를 보이고 있고, 가스압의 증가에 따라 결정입자의 크기는 작아지 는 형상을 나타내고 있다. Fig. 5.21은 중간층 유무에 따른 Mg 박막의 기하 학적인 몰포로의 형상을 나타낸 것으로서 가스압의 변화에 따라 다양한 형 태의 결정구조가 나타나는 것을 알수 있다. Fig. 5.22는 가스압의 변화와 중 간층 유무에 따라 제작된 Mg 박막의 단면 몰포로지를 나타낸 것으로서, Fe 기판 상에 제작된 Mg 박막의 단면은 미세한 형태로 보여지지만, 여러개의
주상정 구조가 결합된 형태를 나타내고 있다. 또한, Fig. 5.23은 바이아스 전 압을 -200 V로 일정하게 하고, 가스압 변화에 따라 변화하는 결정입자의 크 기를 나타낸 그래프로서 가스압의 증가에 따라 결정입자의 크기는 증가하는 것을 알수 있고, Al 중간층을 삽입한 막이 결정입자의 크기가 가장 작은 것 을 알수 있다. 이와 같은 이유는 가스압 증가에 따른 흡착인히비터의 영향으 로 핵성장보다는 핵생성위주의 막이 형성되었기 때문으로 사료된다. Fig.
5.24는 Mg 박막의 단면 두께를 나타낸 것으로서, Ar 가스압의 감소에 따라 증착막의 두께가 증가하는 것을 알수 있다. 진공챔버 내부에 Ar 가스압이 감소(진공도 증가)함에 따라 흡착인히비터의 양은 상대적으로 줄어 들게 된 다. 증착입자인 Mg은 타겟으로부터 스퍼터 되어 증착되는 동안 다양한 형태 로 변화하게 된다. 먼저, Mg은 전자와 충돌하여 여기 상태로 되거나 Mg+ 이온과 전자로 나누어 지게된다. 이온화된 Mg+ 이온에서 플라즈마가 형성되 기도 하지만, 여기된 Mg* 입자는 덜뜬 상태로 있다가 원래 상태로 돌아오면 서 방사천이를 하기도 한다. 그러나 대부분의 입자들은 Ar입자와 충돌하지 않으면서 여기상태인 Mg* 입자로 존재하게 된다. 그러나 일부 Mg입자는 Ar 입자와 전자와 충돌하여 Mg+ 이온과 전자로 다시 분리되어 플라즈마가 지속 된다. 그러나, Ar가스압이 감소하게 되면 Mg 입자의 평균자유행정(MFP)는 상대적으로 많이 길어지게 되고, 전자와의 충될횟수도 그만큼 줄어들게 되어 플라즈마가 일어날 확률은 줄어들게 된다. 이와 같이 저온 플라즈마에 있어 서 MFP의 증가는 증착막에 형성되는 Mg 이온의 양이 줄어드는 것을 의미 하므로 증착막의 두께는 감소하게 된다. 그러나 흡착힌히비터로 작용하는 Ar가스압의 감소는 증착막이 표면에 흡착시 표면원자의 이동도(migration)나 확산(diffusion)을 증가시키는 결과를 나타내므로 Fig. 5.21에 나타낸 것처럼 결정입자의 크기는 크지게 된다. 또한, Fig. 5.22에 나타낸 것처럼 단면의 결 정립은 크지게 되거나 입상정에서 주상정으로 변화하는 구조를 나타내게 된다.
따라서, 최적의 결정입자의 크기와 단면의 두께를 제어하기 위해서는 챔버 내부의 타겟에서 입사된 Mg 입자가 이온으로 변화하는 과정에 있어서 최적 의 MFP에서 가장 많은 Mg+ 이온이 발생하여 증착되는 것이 경제적으로 효 율적으로 사료되며, 결정입자의 크기는 미세한 막일수록 여러 가지 물성이 좋을 것으로 판단된다.