B ia s V o lt ag e
(Surface diffusion)LOW HIGH
G as P re ss u re
(gas adsorption)Columnar structure Granular structure
Top surface
Base Metal Base Metal Base Metal Base Metal Base Metal Base Metal Base Metal Base Metal
Cross section
Base Metal Base Metal Base Metal Base Metal Base Metal Base Metal Base Metal Base Metal
Top surface
Cross section
LOW
HIGH B ia s V o lt ag e
(Surface diffusion)LOW HIGH
G as P re ss u re
(gas adsorption)Columnar structure Granular structure
Fig.4.4Theeffectofgaspressureandbiasvoltage onMgfilm'smorphology
4
44...111...222결결결정정정배배배향향향성성성 분분분석석석
일반적으로 박막의 결정학적 배향성은 우선적으로 기판의 결정방위에 영 향을 받는다.그러나 다결정의 기판을 사용하는 경우,박막의 결정배향성은 기판의 영향은 물론 제작조건(분위기 가스압력,바이어스 전압,기판온도 등) 에 의해서도 결정된다.본 실험에서 사용한 기판 재료는 다결정성을 나타내 기 때문에 초기에 기판표면에 형성된 핵도 여러 가지 결정방위를 가진다고 생각된다.따라서 박막의 결정배향성은 결정핵이 어떻게 성장하는가에 의해 좌우된다고 할 수 있다.
또한 결정핵의 성장은 결정면 표면 에너지의 이방성에 따라 결정면의 성 장속도가 다르다고 할 수 있다.표면 에너지가 높은 결정면이 불안정한 결정 면으로 단위면적당 결합의 수가 많기 때문에 원자를 흡착하는 능력이 크다 고 생각된다.일반적으로 표면에너지가 큰 표면의 성장속도는 빠르고,표면 에너지가 낮은 면의 성장속도는 상대적으로 낮다.그러나 기판에는 증착물질 의 원자나 이온 입자 이외에 잔류가스를 포함한 Ar및 N2가스분자,원자, 이온이 다수 존재하게 되므로,이 흡착인히비터들이 결정핵의 표면 에너지가 높은 면에 흡착하여 결정성장을 방해하는 작용을 하게 된다.따라서 생성막 의 결정 배향성을 이해하기 위해서는 표면에너지의 결정면에 의한 이방성을 알아둘 필요가 있다.결정면의 표면 에너지를 정확하게 계산하는 것은 어렵 지만,Mg의 각 결정면에 대한 표면에너지의 상대값을 계산한 결과를 Table 4.2에 나타나고 있다.그리고 Fig.4.5는 Mg에서의 HCP구조면의 (101)면, (002)면 및 (103)면 등의 실례를 보여주고 있다.
이상의 관점에서 Ar및 N2가스압 그리고 바이어스 전압 조건에 따라 변 화하는 Mg박막의 결정배향성을 분석 하면 다음과 같다.
(
((111)))AAArrr가가가스스스 도도도입입입에에에 의의의한한한 결결결정정정배배배향향향성성성의의의 변변변화화화
본 연구에서 사용한 PVD법인 열전자 활성화형 이온 플레이팅법은 진공 중에서 실시하는 것이 필수적이다.하지만 완전한 진공이란 존재할 수 없으 며,진공용기 내에는 그 경우에 따라 산소나 질소,물 등의 분자들이 상대적 으로 잔류하게 된다.또한 박막 형성 시 Ar및 N2가스를 도입하기 때문에 기판에는 증착물질의 원자나 이온입자 이외에 잔류가스를 포함한 Ar및 N2
가스분자,원자 및 이온들도 다수 존재하게 된다.즉,박막의 성장과정 중 증 착물질 성분 이외의 가스입자가 결정핵에 흡착하여 결정성장을 방해하는 흡 착인히비터(adsorption inhibitor)로써 작용한다.따라서 형성된 박막의 몰포 로지나 결정배향성을 설명하는 경우에는 증발성분 원자나 이온의 열에너지 에 의한 이동과정 뿐만 아니라 잔류가스의 흡착에 의한 영향도 고려되어야 한다.
Fig.4.6(a),(b)와 (c)는 각각의 바이어스 전압에서 진공도 변화에 따른 Mg 박막의 X선 회절결과를 나타내고 있다.각각의 바이어스 전압에서 가스 압이 증가함에 따라 Mg의 피크는 감소되면서 브로드하게 되는 경향을 나타 내었다.이는 Ar가스압력이 증가함에 따라 핵생성이 용이하게 되면서 결정 립이 미세하게 되었기 때문이라고 생각된다.제작된 모든 Mg박막에서 기판 으로 사용한 전기아연도금 강판의 영향으로 아연의 X-선 피크가 관찰되었 다.따라서 Ar가스압 및 바이어스 전압 조건에 따라 변화하는 Mg 박막의 결정배향성을 표면에너지가 높은 (002)및 (101)면을 중심으로 Mg 박막의 결정배향성의 변화에 대해 설명하도록 한다.
우선 Fig.4.6(a)의 바이어스 전압을 인가하지 않은 진공증착법에 의해 제 작한 Mg박막에 대해 설명한다.Ar가스압이 낮은 5×10-4torr에서는 Fig.4.7 에서 나타나는 바와 같이 다른 가스압조건에 비해 상대적으로 낮은 온도에
서 Mg의 증발이 시작되고,또한 상대적으로 저진공의 조건이므로 증발용 보 트(boat)가 가열됨에 따라 내부에 셋팅된 Mg이 급속하게 증발하기 때문에 표면에너지가 높은 (002)면에 빠른 증착속도로 계속 누적하게 된다.따라서 조직은 주상정의 조직으로 형성되어,X-선 회절검사 결과 (101)면의 상대강 도비가 강하게 되었다고 생각된다.이때 Mg 박막의 몰포로지를 나타낸 Fig.
4.1에서도 주상정 조직으로 성장한 것을 확인할 수 있다.Ar 가스압을 5×10-2torr으로 증가시키면 챔버 내에 증가한 아르곤 가스들이 흡착인히비 터로 되어 상대적으로 5×10-4torr의 가스압일 때보다 기판표면에 인히비터 들의 부착량이 증가하게 된다.그중 표면에너지가 높은 (002)면에 흡착인히 비터들이 더 강하게 흡착하게 된다.또한 가스압 증가에 의해 상대적으로 Mg의 증발이 억제되기 때문에 증발물질이 표면에너지가 낮은 (101)면의 성 장이 유리하게 되어 결과적으로 (002)면의 상대강도비가 증가한 것으로 생각 된다.또한,5×10-1torr의 Ar가스압에서는 (002)면과 (101)면의 상대강도값 이 비슷하게 나타났다.이것 또한 흡착인히비터의 관점에서 생각해보면,우 선 챔버 내 압력의 증가로 인해 Ar가스입자들이 기판표면의 모든 면에 흡 착인히비터로써 존재하게 된다.이때 Mg 박막의 성장은 기판주위에 증가한 Ar가스입자들로 인해 어떤 결정면의 성장도 흡착 인히비터에 의해 높은 과 포화 상태가 되고,핵성장보다 핵생성이 활발하게 된다.따라서 Fig.4.1(a)에 서 나타나는 바와 같이 표면의 결정립은 작게 되고 단면은 입상정조직으로 되면서,X-회절분석 결과 (002)면과 (101)면의 상대강도비가 비슷하게 되었 다고 생각된다.
Fig.4.6(b)는 -200V의 바이어스 전압을 인가한 이온플레이팅법에 의해 Ar 가스압의 증가에 따라 제작한 Mg 박막의 X선 상대강도비를 나타내고 있다.
이때는 챔버내는 진공증착과는 달리 이온 및 활성화 입자들이 존재하게 된
다.우선 Ar가스압 5×10-4torr의 조건에서는 용기내의 가스입자와 이온화 및 활성화한 가스입자들이 (002)면에 흡착해서 증착물질인 Mg의 결정 성장 을 방해하고,상대적으로 표면에너지가 낮은 (101)면에 성장이 우선되면서 표면에너지가 높은 (002)면의 면적점유율이 크게 된다.여기서 Ar가스압을 5×10-2torr으로 증가시키게 되면,증가된 가스압으로 인해 이온화된 Ar가스 의 양이 증가하게 되고,이 이온들에 의한 스퍼터링효과로 표면 에너지가 높 은 (002)면의 흡착물들을 상대적으로 우선 제거하게 된다.이때 일시적으로 기판 표면의 진공도가 양호해지면서 표면에너지가 높은 (002)면에 증착물질 의 증착이 증가하게 된다.따라서 (101)면의 상대강도비가 5×10-4torr가스압 조건에 비해 크게 되었다고 생각된다.그러나 Ar가스압을 5×10-1torr까지 증가시키게 되면,챔버 내 Ar가스 입자수가 더욱 증가함에 따라 바이어스 전압에 의해 가속되어 기판에 도달하는 Ar이온의 운동에너지가 감소하게 되면서 스퍼터링 효과가 5×10-2torr일 때보다 상대적으로 감소하게 된다.또 한,모든 면에서의 Ar가스의 흡착이 증가하게 되지만,특히 이온화 및 활성 화한 Ar가스 입자들이 표면에너지가 높은 (002)면에 강하게 부착하게 되면 서 결정성장을 방해하게 되므로 다시 (002)면의 상대강도비가 증가하게 된 다.이 때 조직은 Fig.4.1의 SEM사진에서 나타나는 바와 같이 조밀하고 치 밀한 조직으로 된다.
Fig.4.6(c)의 바이어스 전압을 -400V까지 증가한 경우도 바이어스 -200V 를 인가한 경우와 거의 유사한 경향을 나타내었다.우선 Ar가스압 5×10-4 torr의 조건에서는 이온화 및 활성화한 입자들이 표면에너지가 높은 (002)면 에 상대적으로 많이 흡착하기 때문에 (002)면에서의 핵성장을 방해하게 되므 로 상대적으로 표면에너지가 낮은 (101)면에 증착물질이 증착하게 되면서 (002)면의 배향성이 커지게 된다.Ar가스압을 5×10-2torr로 증가시키게 되
면,증가된 Ar가스이온에 의해 스퍼터링 효과가 모든 면에서 균일하게 발 생하면서 (002)면과 (101)면에 증착물질이 골고루 증착된 결과,(002)면과 (101)면의 고른 성장이 이루어 졌다고 생각된다.또한 Ar가스압을 5×10-1 torr까지 증가시키면 다시 (002)면의 상대강도비가 증가하였다.이것 역시 증 가한 Ar가스입자들이 기판의 모든 면에 인히비터로써 부착하게 되고,특히 표면에너지가 높은 (002)면에 강하게 부착하게 되면서 상대적으로 표면에너 지가 낮은 (101)면에 성장이 유리하게 되면서 (002)면의 상대강도비가 증가 하게 된다.
Fig.4.8에서 (101)면에 대한 (002)면의 상대강도비를 나타내고 있다.바이어 스 전압을 인가하지 않은 진공증착의 경우 Ar가스압이 증가함에 따라 (002) 면의 결정배향성이 증가하였다.바이어스 전압을 -200V 및 -400V를 인가한 이온플레이팅의 경우는 5×10-4torr에서는 표면에너지가 높은 (002)면의 결정 배향성이 표면에너지가 낮은 (101)면에 비해 상대적으로 크게 증가하였다가 5×10-2torr의 Ar가스압에서는 (002)면과 (101)면의 결정배향성은 비슷해졌으 며,5×10-1torr의 Ar가스압에서는 재차 (002)면의 결정배향성이 증가하는 것 으로 나타났다.
Table4.2RelativevalueofsurfacefreeenergyofMg
Crystalface Surfacefree
energy(J/㎡) γ =P․Uc/Z․N․ΔS
γ :Surfacefreeenergy N :6.02×10-23number/mol
(Avogadronumber) P :Numberofthebond Uc :Cohesiveenergy Z :Coordinationnumber
ΔS :Meansurfaceareaof anatom
(100) 1.185 (002) 1.000 (101) 0.764 (102) 0.807 (110) 1.027 (103) 0.779
(100) (002)
(101) (102)
(110) (103)
Fig.4.5 Geometryofcrystallographicplanesforthe hexagonalMglattice
30 32 34 36 38 40
Intensity
Diffraction angle 2θθθθ
Mg (002)Mg (101) 5
55
5××××10101010----4444torrtorrtorrtorr 5
55
5××××10101010----2222torrtorrtorrtorr
555
5××××10101010----1111torrtorrtorrtorr
30 32 34 36 38 40
Intensity
Diffraction angle 2θθθθ
Mg (002)Mg (101) 5
55
5××××10101010----4444torrtorrtorrtorr 5
55
5××××10101010----2222torrtorrtorrtorr
555
5××××10101010----1111torrtorrtorrtorr
Intensity
Diffraction angle 2θ (a)Biasvoltage:0V
30 32 34 36 38 40
Intensity
Diffraction angle 2θθθθ
Mg (002) Mg (101) 5
5 5
5×××10×101010----4444torrtorrtorrtorr
55
55×××10×101010----2222torrtorrtorrtorr
5 5 5
5×××10×101010----1111torrtorrtorrtorr
30 32 34 36 38 40
Intensity
Diffraction angle 2θθθθ
Mg (002) Mg (101) 5
5 5
5×××10×101010----4444torrtorrtorrtorr
55
55×××10×101010----2222torrtorrtorrtorr
5 5 5
5×××10×101010----1111torrtorrtorrtorr
Intensity
Diffraction angle 2θ (b)Biasvoltage:-200V
Fig.4.6X-raydiffractionpatternsofMgthinfilmsdepositedat variousArgaspressures
30 32 34 36 38 40
Intensity
Diffraction angle 2θθθθ
Mg (002) Mg (101) 55
55×××10×101010----4444torrtorrtorrtorr
5 5 5
5×××10×101010----2222torrtorrtorrtorr
55
55×××10×101010----1111torrtorrtorrtorr
30 32 34 36 38 40
Intensity
Diffraction angle 2θθθθ
Mg (002) Mg (101) 55
55×××10×101010----4444torrtorrtorrtorr
5 5 5
5×××10×101010----2222torrtorrtorrtorr
55
55×××10×101010----1111torrtorrtorrtorr
Intensity
Diffraction angle 2θ (c)Biasvoltage:-400V
Fig.4.6tobecontinued
10-12 1x10-10 1x10-8 1x10-6 1x10-4 1x10-2 1x100 1x102 0
200 400 600 800 1000 1200
5 x 10-4 torr 5 x 10-2 torr 5 x 10-1 torr
Temperature (o C )
Vapor-pressure (torr)
Fig.4.7RelationbetweentemperatureandVapor-pressureonmagnesium
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2
Ar Gas Pressure (Torr)
5 X 10-4 5 X 10-2 5 X 10-1
(002) / (001) Relative intensity ratio
0V -200V -400V
Fig.4.8 (002)/(101)relativeintensityofMgthinfilms depositedatvariousArgaspressures
(
((222)))NNN222가가가스스스 도도도입입입에에에 의의의한한한 결결결정정정배배배향향향성성성의의의 변변변화화화
N2가스 도입에 따른 X선회절 분석결과를 Fig.4.9(a),(b)및 (c)에 각각 나 타내었다.표면에너지에 따른 결정배향성의 분석을 위해 N2 가스압에 따른 (002)면에 대한 (101)면의 상대강도비를 위주로 설명한다.
N2가스를 도입한 경우는 Ar가스를 도입한 경우와 같은 흡착인히비터 영 향으로써 설명이 가능하므로 간단히 설명한다.Fig.4.9(a)의 진공증착의 경 우 N2가스압 5×10-4torr일 때는 증발금속인 Mg이 급속하게 비산하면서 기 판표면에 계속 누적하는 형태로 성장하게 된다.따라서 표면 에너지가 높은 (002)면에 우선적으로 증착하게 되면서 상대적으로 (101)면의 배향성이 증가 하게 된다.N2가스압을 5×10-2torr까지 증가시키게 되면 잔류가스 및 증가
된 N2가스에 의해 기판 표면에는 흡착 인히비터들이 존재하게 되고,또한 증가한 가스압으로 인해 증발 금속인 Mg의 증발이 상대적으로 억제되면서 각 면에서 균일한 증착이 이루어지면서 (002)면과 (101)면의 면적 점유율이 비슷하게 된다.여기서 5×10-1torr까지 가스압을 더욱 증가시키게 되면,기 판주위에 증가한 N2가스입자들로 인해 Mg박막의 성장은 흡착 인히비터에 의해 높은 과포화 상태가 되고,핵성장보다 핵생성이 활발하게 된다.즉,상 대적으로 핵의 생성 위주로 Mg 박막의 성장이 이루어 짐에 따라 결정립이 미세해지고,특히 N2가 Ar보다 원자반경이 작고 이온화 에너지가 낮은데 서 Ar보다 흡착 및 흡장량이 증가하면서 더욱 미세한 조직을 가지는 Mg 박막이 형성됨에 따라 각 면에서의 X-선 상대강도비가 작아지면서 넓은 폭 (broadening)으로 나타났다.
-200V의 바이어스 전압을 인가하였을 때 Mg 박막의 결정배향성을 Fig.
4.9(b)에서 나타내고 있다.5×10-4torr의 가스압에서는 이온화 및 활성화한 N2가스 입자들이 표면에너지가 높은 (002)면에 강하게 흡착인히비터로써 작 용하여 결정성장을 방해하기 때문에 (002)면의 결정배향성이 강하게 된다.
여기서 5×10-2torr까지 N2가스압을 증가시키게 되면 증가한 이온입자에 의 해 각 면에서의 흡착물들을 스퍼터링 효과로 균일하게 제거하게 된다.하지 만 질소의 1차 이온화 에너지가 Ar보다 낮은데서 표면에너지가 높은 (002) 면에 부착하게 되는 질소이온입자의 수가 Ar가스압 조건일 때에 비해 상대 적으로 많게 되어 (002)면의 성장이 억제되고,증착물질이 표면에너지가 낮 은 (101)면으로 성장하면서 (002)면의 X-선 상대강도비가 크게 나타나게 된 다.N2가스압을 5×10-1torr까지 증가시키게 되면,챔버 내에 증가한 질소가 스 입자와 이온화 및 활성화한 입자들이 흡착인히비터로써 기판의 모든 면 에 흡착하게 된다.특히 표면에너지가 높은 (002)면에 강하게 흡착되는 것에
의해 증착물질들이 상대적으로 표면에너지가 낮은 (101)면에서 성장이 쉬워 짐에 따라 (002)면의 결정배향성이 크게 된다.
바이어스 -400V를 인가한 경우를 Fig.4.9(c)에서 나타내고 있다.5×10-4 torr의 가스압에서는 이온화 및 활성화한 입자들에 의해 표면에너지가 높은 (002)면에서의 핵성장이 억제되면서 상대적으로 (002)면의 결정배향성이 증 가하게 된다.5×10-2torr까지 N2가스압을 증가하면 이온화한 입자들에 의해 스퍼터링 효과가 발생하면서 표면 흡착물들을 일부 제거하게 된다.이때 전 기장에 의해 가속되어진 이온 입자의 운동에너지가 바이어스 -200V일 때보 다 상대적으로 크기 때문에,모든 면에서의 스퍼터링 효과가 강하게 일어나 게 되고 각 면이 균일하게 성장함에 따라 (002)및 (101)면에서의 성장이 유 사하게 되어 상대강도비가 비슷하게 나타나게 된다고 생각된다.또한 N2가 스압을 5×10-1 torr까지 증가시키게 되면 상대적으로 증가한 가스입자들에 의해 기판에 도달하는 이온입자의 운동에너지가 감소하게 되고,또한 표면에 너지가 높은 (002)면에 인히비터들이 보다 강하게 흡착하게 되면서 다시 (002)면의 면적 점유율이 증가하게 된다.
Fig.4.10에서 제작된 Mg 박막의 (101)면에 대한 (002)면의 상대 강도비율 을 나타내었다.그래프에서 보이는 바와 같이 N2가스압이 증가할수록 (101) 면에 대한 (002)면의 비율은 점차로 증가하는 경향을 나타내었다.이러한 경 향을 나타내는 것은 진공용기 내에 존재하는 산소,질소,물 또는 이온 봄바 드먼트(Ion bombardment)한 후의 N2가스 등의 잔류가스가 높은 표면에너지 를 가진 (002)면에 보다 강하게 흡착하기 때문으로 생각된다.따라서 이 면 은 증착입자에 의한 결정성장이 방해받게 되어 상대적으로 표면에너지가 낮 은 (101)면 등 보다 성장속도가 늦어지게 된다.즉,결과적으로 표면에너지가 높은 면의 면적점유율이 크게 되어 X선회절 강도는 (002)면이 높게 나타나는
것으로 사료된다.
이상에서 언급한 각각의 바이어스 전압에서 분위기 가스압의 변화에 따른 Mg 박막의 결정배향성에 대해 종합하면 Fig.4.11과 같이 생각된다.5×10-4 torr로 가스압이 낮은 경우 표면에너지가 높은 (002)면에 활성화 및 이온화한 흡착인히비터들이 상대적으로 우선 흡착하게 된다.이때 이 인히비터들이 (002)면에서의 성장을 상대적으로 방해하게 되므로 (101)면에서의 성장이 유 리하게 됨에 따라 (002)면의 X-선 상대강도비가 증가하게 된다.5×10-2torr 로 가스압을 증가시키게 되면 이온입자의 수가 증가하면서 스퍼터리효과에 의해 각 면에서의 인히비터들을 제거함에 따라 (002)및 (101)면에서의 균일 한 성장이 이루어지게 된다.또한 5×10-1torr의 가스압에서는 증가한 가스입 자에 의해 이온의 운동에너지가 감소하고,모든 면에서의 흡착물들이 증가하 지만 특히,표면에너지가 높은 (002)면의 흡착 인히비터들이 더욱 강하게 흡 착하기 때문에 상대적으로 (101)면에서의 성장이 유리해짐에 따라 재차 (002) 면의 배향성이 증가하게 된다고 생각된다.
30 32 34 36 38 40
Intensity
Diffraction angle 2θθθθ
Mg (002) Mg (101) 5
5 5
5×××10×101010----4444torrtorrtorrtorr
55
55×××10×101010----2222torrtorrtorrtorr
5 5 5
5×××10×101010----1111torrtorrtorrtorr
30 32 34 36 38 40
Intensity
Diffraction angle 2θθθθ
Mg (002) Mg (101) 5
5 5
5×××10×101010----4444torrtorrtorrtorr
55
55×××10×101010----2222torrtorrtorrtorr
5 5 5
5×××10×101010----1111torrtorrtorrtorr
Intensity
Diffraction angle 2θ (a)Biasvoltage:0V
30 32 34 36 38 40
Intensity
Diffraction angle 2θθθθ
Mg (002) Mg (101) 55
55×××10×101010----4444torrtorrtorrtorr
55
55×××10×101010----2222torrtorrtorrtorr
5 5 5
5×××10×101010----1111torrtorrtorrtorr
30 32 34 36 38 40
Intensity
Diffraction angle 2θθθθ
Mg (002) Mg (101) 55
55×××10×101010----4444torrtorrtorrtorr
55
55×××10×101010----2222torrtorrtorrtorr
5 5 5
5×××10×101010----1111torrtorrtorrtorr
Intensity
Diffraction angle 2θ (b)Biasvoltage:-200V
Fig.4.9X-raydiffractionpatternsofMgthinfilmsdepositedat variousN2gaspressures
30 32 34 36 38 40
Intensity
Diffraction angle 2θθθθ
Mg (002) Mg (101) 5
5 5
5××××10101010----4444torrtorrtorrtorr
55
55××××10101010----2222torrtorrtorrtorr
5 5 5
5××××10101010----1111torrtorrtorrtorr
30 32 34 36 38 40
Intensity
Diffraction angle 2θθθθ
Mg (002) Mg (101) 5
5 5
5××××10101010----4444torrtorrtorrtorr
55
55××××10101010----2222torrtorrtorrtorr
5 5 5
5××××10101010----1111torrtorrtorrtorr
Intensity
Diffraction angle 2θ (c)Biasvoltage:-400V
Fig.4.9tobecontinued
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2
Ar Gas Pressure (Torr)
5 X 10-4 5 X 10-2 5 X 10-1
(002) / (001) Relative intensity ratio 0V
-200V -400V
Fig.4.10(002)/(101)relativeintensityofMgthinfilms depositedatvariousN2gaspressures
GasPressure CrystalGrowth
5×10-4torr
Substrate
(002) (002) (002) (002)
(101)(101)(101)(101)
(101)(101)(101)(101)
Substrate
(002) (002) (002) (002)
(101)(101)(101)(101)
(101)(101)(101)(101)
5×10-2torr
+++ +
(002) (002) (002) (002)
(101)(101)(101)(101)
Substrate
(101)(101)(101)(101) +++ ++ ++ +
(002) (002) (002) (002)
(101)(101)(101)(101)
Substrate
(101)(101)(101)(101)
5×10-1torr
+ + + +
(002) (002) (002) (002)
(101)(101)(101)(101)
Substrate
(101)(101)(101)(101)
+ + + + + + + +
(002) (002) (002) (002)
(101)(101)(101)(101)
Substrate
(101)(101)(101)(101)
Fig.4.11Schematicdiagram forcrystalgrowthofMgfilm atdifferentgaspressure
4
44...111...333AAArrr및및및 NNN222가가가스스스의의의 흡흡흡착착착 및및및 흡흡흡장장장에에에 의의의한한한 MMMggg박박박막막막의의의 형형형성성성관관관계계계 고고고찰찰찰
지금까지 흡착인히비터 이론을 기초로 하여 각 파라메타에 따른 몰포로지와 결정배향성을 고찰해 보았다.이러한 것들은 각 실험 조건하에서 각 결정면 에서 흡착이 쉽기 때문에 핵성장 속도의 상대적인 차이에 의해서 서술한 것 이다.따라서 결정을 미립화한 흡착인히비터 작용 외에 하나 더 추가하는 보 조효과로서 생각되는 것은,흡착가스에 의한 흡장효과가 있다.일반적으로결 정성장면 상에 흡착인히비터가 존재하게 되면 그 정도에 따라 결정핵이 지 속적으로 성장하기 어렵다.한편,가스압 또는 바이어스 전압과 같은 증착조 건에 따라서는 결정핵이 기판에 도달되는 과정에서 흡착인히비터의 일부가 포함 및 고용되면서 성장 진행에 영향을 받게 된다.이것을 흡장(occulusion) 이라고 한다.이 현상은 바이어스 전압에 의한 이온주입효과에 의해서도 촉 진된다.이 결정 성장핵 사이에 흡착인히비터의 진입에 의해서 X선회절에서 는 면간격 d가 넓어지는 것을 분석할 수 있다.이 면간격 d는 ASTM 카드 에 나타난 것에 비교해서 이동량(shift)의 상대적비에 의해 흡착 및 흡장량의 대소를 아는 것이 가능하다고 생각된다.따라서 면간격 d의 분석에 의해 진 공도 및 바이어스 전압조건에 따른 흡착 및 흡장량의 변화를 검토함으로써, 몰포로지 변화와의 관계를 고찰하였다.Fig.4.12(a),(b),(c)에서 일정한 바 이어스 전압에서 분위기 가스종류 및 가스압에 따른 면간격 d값의 변화를 나타내고 있으며,Table4.3 및 4.4에서는 각 바이어스 전압에서 Ar및 N2
가스압의 변화에 따라 Mg박막의 면간격 d의 변화량을 나타낸다.
Fig.4.12(a)는 진공증착에 의해 제작한 Mg 박막의 면간격 d값의 변화를 나타낸다.전체적으로 Ar및 N2가스압이 증가함에 따라 면간격 크기가 증 가하는 경향을 나타내었다.Ar가스압이 5×10-4torr로 진공도 좋은 경우,Ar 가스입자는 표면에너지가 낮은 (101)면보다 표면에너지가 높은 (002)면에 상
대적으로 우선 흡착하게 되는 것을 4.1.2절에서 설명하였다.이 때 증발입자 인 Mg에 의해 Ar입자가 흡장되어지면서 Mg 박막의 면간격 d값이 ASTM 의 면간격 d보다 커지게 된다.이때 표면에너지가 높은 (002)면에 Ar입자들 이 더 많이 존재하게 되므로 (002)면의 면간격 증가가 더 커지게 된다.이것 은 진공증착에서 Ar가스압이 5×10-4torr으로 했을 때 증착물질인 Mg의 증 발이 급속하게 이루어지기 때문에 표면에너지가 높은 (002)면에 계속해서 누 적되면서 (101)면의 X-선 회절 상대강도 비가 증가한 것과 일치하는 결과이 다.Ar가스압을 5×10-2torr로 증가시키면 가스입자의 수가 증가하면서 흡착 ㆍ흡장량이 증가함에 따라 5×10-4torr일 때보다 Ar가스압이 5×10-1torr일 때는 흡착량이 증가하면서 면간격은 더욱 증가하였으며,(002)면의 면간격보 다 (101)면의 면간격이 더 크게 증가하였다.이것을 역시 Mg 박막의 성장과 정에서 생각해 보면,우선 더욱 증가한 Ar가스입자들이 기판표면의 모든 면에 강하게 흡착하게 된다.이때 기판주위에 증가한 가스 입자들에 의해 핵 성장이 이루어지지 못하게 된다.또한,Mg의 증발이 억제되면서 증발량이 감소하고,박막의 성장이 핵의 성장보다는 새로운 핵의 생성의 위주로 이루 어지면서 표면 및 단면의 몰포로지를 관찰한 Fig.4.1에서 나타나는 바와 같 이 표면의 결정립은 미세하게 되고,단면은 입상정구조로 성장하게 된다.이 때 Mg 박막의 결정성장은 표면에너지가 높은 (002)면의 결정배향성이 강하 게 된다.즉,새로운 핵이 계속해서 생성되는 과정에서 상대적으로 (101)면에 서 성장이 이루어지면서 흡장되어지는 Ar가스입자에 의해 (101)면간격의 증가가 커지게 되었다고 생각된다.
바이어스 전압을 -200V를 인가한 이온플레이팅법에 의해 제작한 Mg박막 의 면간격 변화를 Fig.4.12(b)에서 나타내고 있다.전체적으로 (002)면에 비 해 (101)면의 면간격이 크게 증가 하였다.이것은 이온화 및 활성화한 가스