5.3 실험결과 및 고찰
5.3.1 Zn 및 Mg 박막의 원소조성 분석
(1) Zn 박막의 원소조성 분석
여러 가지 가스압 조건에 따라 제작된 Zn 박막의 원소 조성비(wt. %)를 분석해 보았다. Fig 5.7은 바이아스 전압을 -200 V로 인가한후 Mg, Al 중 간층을 삽입하고, 여러 가지 가스압에 따라 제작한 Zn 박막의 원소조성 분석 에 대한 그래프를 나타내었다. 중간층을 삽입하지 않고, SPCC강판 위에 제 작한 Zn 박막은 O2의 함량이 3.79∼6.23 wt.%로 나타났고, 주 증착금속인 Zn는 93.77∼96.21 wt.%로 나타났다. 여기서, 가스압이 증가함에 따라 O2의 함량이 낮게 나타나고, Zn의 함량이 높게 나타났다. 진공도 조절용으로 사용 되는 Ar 가스는 불활성 가스로서 반응이 없는 것으로 생각할 수 있으나, 본 실험에서 Ar 가스는 Zn막 형성을 방해하는 흡착인히비터로 생각할 수 있다.
따라서 가스압이 증가할수록 흡착 인히비션의 역할을 증가될 것이다. Al 중 간층을 삽입한 Zn 박막의 EDS 분석결과 O2는 2.67∼10.87 wt.%이고, Zn는 80.63∼94.68 wt.%로 분석되었다. Mg 중간층을 삽입한 Zn 박막의 EDS 분석 결과 O2는 2.52∼8.37 wt.%이고, Zn는 79.65∼87.48 wt.%로 분석되었다. O2
가 검출되는 것은 Zn박막을 제작한 후, 대기중의 O2가 표면의 Zn와 산화물 을 형성하여 분석된 것이다. Fig. 5.8은 Zn, Mg 중간층을 삽입하고, 바이아 스 전압이 -200 V에서 제작한 Zn 박막의 분석 결과를 나타내고 있다. 분석 결과, 가스압이 증가함에 따라 제작된 Zn 박막일수록 Zn의 함유량이 증가하 는 것을 알수 있다. Zn 박막을 제작하기 위해서는 Ar 가스를 투입하여 박막 을 제작하게 된다. 투입된 Ar 가스는 흡착인히비터로서 작용하여 Zn 중심의 박막형성에 방해하는 역할로서 작용하게 된다. 즉, Ar 가스압이 증가될수록 흡착인히비터로 작용하는 Ar 가스는 O2입자가 SPCC 기판에 도달하기 전에 에너지 변환에 의한 방해 역할을 하게 된다. 기판상에 Zn 박막이 형성되는 동안에 진공도 조절용 Ar 가스는 가스압이 증가할수록 Zn 박막의 형성을 방 해하는 흡착인히비터의 역할이 증가하게 된다. O2입자도 흡착인히비터로 고 려 할수 있으나, Ar 가스에 비해 상대적인 양이 너무 적어 Zn증착막에 형성 되는 확률은 그만큼 낮아지게 된다. 이와 같이 막형성이 극히 일부분만 존재 하는 O2는 대기중에 노출시 산화피막 형성에 따른 기지 역할을 하게된다. 따 라서, 가스압이 증가할수록 증착된 Zn 박막은 상대적으로 O2의 함량이 감소 하는 반면에 Zn의 함량이 증가하는 것으로 사료된다.
Thin film Ar gas
pressure Graph Element(%)
Schematic
O Zn Al Mg
Fe+Zn
5×10-1 O 3.79 96.21 - -
X - 100 - -
5×10-2 O 4.52 95.48 - -
X - 100 - -
5×10-3 OX 6.23- 93.77100 -- --
Fe+Al+Zn
5×10-1 O 2.67 94.68 2.65 -
X - 93.80 6.20 -
5×10-2 O 9.54 84.25 6.21 -
X - 80.79 19.21 -
5×10-3 O 10.87 80.63 8.50 -
X - 87.17 12.83 -
Fe+Mg+Zn
5×10-1 O 2.52 87.48 - 10.00
X - 95.21 - 4.79
5×10-2 O 5.48 81.38 - 13.14
X - 89.12 - 10.88
5×10-3 O 8.36 79.65 - 11.99
X - 88.21 - 11.79
Fig. 5.7 EDS graphs of Zn thin film deposited at various Ar gas pressure in bias voltage -200 V
75 80 85 90 95 100
O ( Wt. % )
Ar, Zn Ar, Al+Zn Ar, Mg+Zn
5 x 1 0- 1 5 x 1 0 - 2 5 x 1 0 - 3
Zn ( Wt. % )
Ar gas pressure ( Torr )
25 20 15 10 5 0
Fig. 5.8 EDS analysis result of Zn thin film deposited at various Ar gas pressure in bias voltage -200 V
(2) Mg 박막의 원소조성 분석
중간층을 삽입한 Mg 박막의 원소조성에 대한 분석 결과는 Fig. 5.9이고, Fig. 5.10은 Ar 가스압 증가에 따른 Mg 박막의 조성분석 결과 그래프를 나 타내었다. 분석결과 Mg 성분과 O2 성분이 동시에 검출되었고, 가스압의 증 가에 따라 중간층 유무에 관계없이 Mg 성분이 많이 검출되는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과를 나타내는 이유는 다음과 같다. 쳄버내부의 진 공도 조절용 가스인 Ar은 막의 성장을 방해하는 흡착 인히비터로서 생각할 수 있는데, 이것은 막의 성장을 방해하는 역할을 하게 된다. 따라서 가스압 의 증가에 따라 흡착인히비션의 역할은 증대하게 되고, Mg의 막형성에 중요 한 역할을 하게 된다. 또한, Mg은 getter 특성을 가지는 금속으로서 O2와의 흡착활성을 유도하는 역할과 주 증착금속으로서 막에 증착하는 역할을 동시 에 수행하게 된다. 즉, Ar 가스압 증가에 따라 Mg과 O2와의 흡착활성유도에 방해를 받게 된다. Mg과 O2와 흡착 활성유도된 입자의 영향으로 막표면에 흡장되는 O2의 양은 상대적으로 감소하게 된다. 따라서 가스압 증가에 따라 O2의 양은 상대적으로 감소하는 반면에 Mg의 성분이 많이 검출되는 것으로 사료된다.
다음으로 바이아스 전압의 영향에 대해서 검토해 보면 다음과 같다. Mg이 증착이 일어날 때 바이아스 전압을 인가하면 이온화 금속 및 Ar 가스 이온 은 바이아스 전압에 의해 가속되어 큰 운동에너지를 가지고 기판에 도달하 게 된다. 이와 같이 바이아스 전압을 기판에 인가하면 스퍼터링 효과, 이온 주입효과, 원자이동 효과, 표면 가열 효과 등이 나타나 증착금속의 증착 확 률이 높게 된다. 본 실험에서는 바이아스 전압을 일정하게 인가 하였으므로, 전체적인 Mg 함량이 기판에 부착되는 확률은 증가된 것으로 사료된다. 이와 같이 DC 스퍼터링에 의해 제작된 Mg 박막은 약전리 플라즈마를 형성하여 막이 형성된다. Mg은 전자와 충돌하여 여기상태와 전자로 나누어 지게 되 고, 여기된 Mg은 발광 및 발열 등으로 방사천이 한후 중성입자인 Mg으로 되돌아 오거나, 들뜬 상태를 유지하거나, 이온화되어 플라즈마를 형성한다.
그러나 여기된 Mg 입자의 약 99 % 정도는 다시 중성입자로 되돌아 오기 때문 에 바이아스 전압을 인가함으로써 플라즈마의 활성화를 유도할수 있게 된다.
Thin film Ar gas
pressure Graph Element(%)
Schematic
O Zn Al Mg
Fe+Mg
5×10-1 O 2.73 - - 97.27
X - - - 100
5×10-2 O 6.54 - - 93.46
X - - - 100
5×10-3 OX 6.57- -- -- 93.43100
Fe+Al+Mg
5×10-1 O 2.52 - 2.29 95.19
X - - 2.58 97.42
5×10-2 O 2.87 - 2.33 94.80
X - - 2.51 97.49
5×10-3 OX 20.73 -- 2.153.71 77.1296.29
Fe+Zn+Mg
5×10-1 OX 6.54- 87.7511.49 -- 84.7188.51
5×10-2 OX 10.68- 10.3719.86 -- 80.8880.14
5×10-3 O 14.10 22.54 - 63.36
X - 28.01 - 71.99
Fig. 5.9 EDS graphs of Mg thin film deposited at various Ar gas pressures in bias voltage -200 V
60 65 70 75 80 85 90 95 100
O ( Wt. % )
Ar, Mg Ar, Al+Mg Ar, Zn+Mg
5 x 1 0- 1 5 x 1 0 - 2 5 x 1 0 - 3
Mg ( Wt. % )
Ar gas pressure ( Torr )
25 20 15 10 5 0
Fig. 5.10 EDS analysis result of Mg thin film deposited at various Ar gas pressures in bias voltage -200 V