KETI-RD-2006093KETI-RD-2006093KETI-RD-2006093KETI-RD-2006093

전자빔 기상 증착 시스템의 박막전자빔 기상 증착 시스템의 박막전자빔 기상 증착 시스템의 박막전자빔 기상 증착 시스템의 박막

균일성 향상을 위한 기술 지원균일성 향상을 위한 기술 지원균일성 향상을 위한 기술 지원균일성 향상을 위한 기술 지원

2006. 11. 302006. 11. 302006. 11. 302006. 11. 30

지원기관지원기관지원기관지원기관

전자부품연구원전자부품연구원전자부품연구원전자부품연구원

지원기업지원기업지원기업지원기업

에이엠에스에이엠에스에이엠에스에이엠에스

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 부 자 원 장 관 귀 하산 업 부 자 원 장 관 귀 하산 업 부 자 원 장 관 귀 하산 업 부 자 원 장 관 귀 하

본 보고서를 전자빔 기상 증착 시스템의 박막 균일성 향상을 위한 기술 지원 지“ ” (

원기간 과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다: 2005. 12. 01 ~ 2006. 11. 30) .

2006. 11. 30.2006. 11. 30.2006. 11. 30.2006. 11. 30.

지원기관 전자부품연구원지원기관 전자부품연구원지원기관 전자부품연구원지원기관 전자부품연구원::::

대표자 김 춘 호대표자 김 춘 호대표자 김 춘 호대표자 김 춘 호( )( )( )( )

지원기업 에이엠 에스지원기업 에이엠 에스지원기업 에이엠 에스지원기업 에이엠 에스::::

대표자 여 지 윤대표자 여 지 윤대표자 여 지 윤대표자 여 지 윤( )( )( )( )

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자 :::: 양 우 석양 우 석양 우 석양 우 석

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원 ::::

::::〃〃〃〃

::::〃〃〃〃

이 한 영이 한 영이 한 영이 한 영

이 형 만이 형 만이 형 만이 형 만

김 우 경김 우 경김 우 경김 우 경

- 3 -

관리번호:

종합기술지원사업 기술지원성과보고서종합기술지원사업 기술지원성과보고서종합기술지원사업 기술지원성과보고서종합기술지원사업 기술지원성과보고서

사 업 명 전자빔 기상 증착 시스템의 박막 균일성 향상을 위한 기술 지원

지원책임자소속 전자부품연구원:

성명 양 우 석:지원기관

부터2005. 12. 01.

까지2006. 11. 30.

사업비 규모

총 백만원190

지원기관의

참여연구원

이한영

김우경

이형만

정 부 출 연 금 백만원: 95

기업부담금현금 백만원: 57

현물 백만원: 38

부품 소재종합기술지원사업운영요령 제 조의 규정에 의해 종합기술지원사업 수· 18

행에 대한 기술지원성과보고서를 제출합니다.

첨 부 기술지원성과보고서 부첨 부 기술지원성과보고서 부첨 부 기술지원성과보고서 부첨 부 기술지원성과보고서 부: 5: 5: 5: 5

년 월 일년 월 일년 월 일년 월 일2006 11 302006 11 302006 11 302006 11 30

작성자 지 원 책 임 자작성자 지 원 책 임 자작성자 지 원 책 임 자작성자 지 원 책 임 자( ) :( ) :( ) :( ) : 양 우 석양 우 석양 우 석양 우 석

지원기관장 전자부품연구원장지원기관장 전자부품연구원장지원기관장 전자부품연구원장지원기관장 전자부품연구원장( ) :( ) :( ) :( ) : 김 춘 호김 춘 호김 춘 호김 춘 호

확인자 에이엠 에스 대표확인자 에이엠 에스 대표확인자 에이엠 에스 대표확인자 에이엠 에스 대표( ) :( ) :( ) :( ) : 여 지 윤여 지 윤여 지 윤여 지 윤

부품 소재통합연구단장 귀하부품 소재통합연구단장 귀하부품 소재통합연구단장 귀하부품 소재통합연구단장 귀하ㆍㆍㆍㆍ

- 4 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

사업목표사업목표사업목표사업목표1.1.1.1.

막 두께 균일성 향상지원①

증착 재료에 따른 막 균일성 분석-

증착 속도에 따른 균일성 분석-

기판 장착 지그 조건에 따른 막 균일성 분석-

기판 온도 균일성 향상 지원②

기판 온도분포에 따른 증착특성-

기판의 온도분포 분석-

저온 증착을 위한 진공 및 지그 기술지원chamber③

기판 지그가 증착균일성에 미치는 영향-

저온 증착을 위한 방법 제안-

이온 보조빔 성능향상(ion Assisted Beam)④

기존의 성능 평가 분석- Ion Source

개선- Multiple Performance Ion Source

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2.2.2.2.

막 두께 균일성 향상지원-

다양한 재료에 대해 증착 조건 증착속도 온도 지그 등 에 따른 특성을 분석· ( , , )

함으로써 증착 물질의 최적조건을 확보.

기판 온도 균일성 향상 지원-

기판 온도에 따른 증착 물질의 물성 변화 및 시스템 내에서 기판의 온도 분포·

를 분석

저온 증착을 위한 진공 및 지그 기술지원- chamber

기판지그가 증착균일성에 미치는 영향을 확인하고 이를 토대로 증착 물질의·

저온 증착을 위한 방법을 제안

이온 보조빔 성능향상- (ion Assisted Beam)

기존의 의 성능을 증착 물질을 물성 분석을 통하여 분석하고 시스· Ion Source

템을 개선

- 5 -

지원실적지원실적지원실적지원실적3.3.3.3.

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

증착조건 및 재료에

따른 물성분석

데이터 없음

납품된 업체에 의존자체 데이터 확보

장비 판매를 위해

필요한 데이터 확보

를 이용한satellite jig

박막의 균일성 평가

지그 조건에 따른

데이터 없음

지그 개선에 따른

정량적 데이터 확보

지그 박막 균일성&

데이터 확보

보조 이온 빔을 이용한

산화 막 특성

산화 막 특성에

대한 데이터 없음

산화 막 데이터

확보 및 납품업체

대응 가능

다양한 박막에 대한

대응 가능해짐

시스템 안정화시스템 문제 발생후

대응 가능성

시스템에 발생 될

문제점을 미연에

방지

장비 신뢰성 확보

지원항목 번항목의 기술지원내용 및 범위를 근거로 지원실적을 항목별로 구1. : 2

분하여 기재

지원내용 지원항목별로 기술지원 상황을 비교하여 기재2. : ·前 後

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4.4.4.4.

해당기술 적용재품해당기술 적용재품해당기술 적용재품해당기술 적용재품1)1)1)1)

적용제품명 전자 빔 기상증착시스템:ㅇ

모 델 명 : Ion assisted E-beam evaporator systemㅇ

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질전자빔기상

증착 시스템보통 향상

경쟁제품 대비 가격 동등 동등 동등

객관화 된 를 근거로 작성DATA※

- 6 -

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년15 / ( 10 %) 당1set

인건비 절감 백만원 년15 / ( 10 %)

계 백만원 년30 / ( 20 %)

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영※

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 백만원 년150 / 백만원 년400 / 270% 기술용역

수 출 천달러 년- / 천달러 년150 / 100%

계 백만원 년150 / 백만원 년550 / 370%

참고) 적용제품 주요수출국 중국1. :

작성당시 환율기준 원2. : 950

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비 고

E/BEAM 천달러 년53,000 / 천달러 년40,000 / 천달러 년13,000 /가격

강등

IBAD 천달러 년25,000 / 천달러 년25,000 / 천달러 년/도입

시기

계 천달러 년78,000 / 천달러 년65,000 / 천달러 년13,000 /

- 7 -

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

당 기업에서 전자빔증착기의 판로 확대를 위해 필요한 점들 특히 재료의 증- ,

착 조건에 따른 박막 특성 데이터 보조 이온빔을 이용했을 경우 조건에 따른,

재료의 박막 특성 데이터 및 시스템 운영 중 발생하는 다양한 문제점들을 해결

함으로써 시스템 안정화를 위한 기술을 축적할 수 있었음

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

국내 장비 업체의 영세성에 의해 장비를 만드는 기술은 가지고 있으나 기본데-

이터 부제로 인해 판로에 많은 애로를 가지고 있음 다양한 재료를 이용하여 다.

양한 조건에서의 박막 특성 데이터를 확보하고 프로세스에서의 문제점을 장비

개선에 반영함으로써 유사 다른 증착 장비를 개발할 수 있는 기술을 축적하였음

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5. ,5. ,5. ,5. ,

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) ,1) ,1) ,1) ,

지적재산권지적재산권지적재산권지적재산권2)2)2)2)

- 8 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건30 공정 및 지그 설계 등

시제품제작 건-

양산화개발 건-

공정개선 건20

품질향상 건10 금속 박막 균일성 및 산화물 박막의 물성 등

시험분석 건50 등SEM, AFM, a-step, ellipsometer

수출 및 해외바이어발굴 건-

교육훈련 건25 주기적 장비 및 공정 교육

기술마케팅 경영자문/ 건10

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건

기 타 건

종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.

제품 판매에 필요한 증착박막의 다양한 조건에서의 데이터를 실험 및 분석을-

통하여 지원하였으며 증착원리 등을 교육을 통한 이해와 실험 도중의 다양한,

정보를 장비의 성능개선에 반영할 수 있도록 기술 지원되었음

이를 바탕으로 경쟁력을 갖춘 상용화 장비 생산이 기대됨-

- 9 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용2222

전자빔 증착 시스템 이해 기술정보 제공 및 교육훈련전자빔 증착 시스템 이해 기술정보 제공 및 교육훈련전자빔 증착 시스템 이해 기술정보 제공 및 교육훈련전자빔 증착 시스템 이해 기술정보 제공 및 교육훈련1. ( )1. ( )1. ( )1. ( )

증착원리 및 특징증착원리 및 특징증착원리 및 특징증착원리 및 특징1.11.11.11.1

전자빔 증착기의 구성전자빔 증착기의 구성전자빔 증착기의 구성전자빔 증착기의 구성1.21.21.21.2

이온빔 작동원리이온빔 작동원리이온빔 작동원리이온빔 작동원리1.31.31.31.3

이온빔 특성이온빔 특성이온빔 특성이온빔 특성1.3-11.3-11.3-11.3-1

이온 건의 응용 및 전망이온 건의 응용 및 전망이온 건의 응용 및 전망이온 건의 응용 및 전망1.41.41.41.4

이온 빔 에칭이온 빔 에칭이온 빔 에칭이온 빔 에칭1.4-11.4-11.4-11.4-1

이온 빔 세척이온 빔 세척이온 빔 세척이온 빔 세척1.4-21.4-21.4-21.4-2

이온 빔 증착이온 빔 증착이온 빔 증착이온 빔 증착1.4-31.4-31.4-31.4-3

전자빔 증착 박막의 조직전자빔 증착 박막의 조직전자빔 증착 박막의 조직전자빔 증착 박막의 조직1.51.51.51.5

증착 박막에 영향을 미치는 인자증착 박막에 영향을 미치는 인자증착 박막에 영향을 미치는 인자증착 박막에 영향을 미치는 인자1.5-11.5-11.5-11.5-1

박막 성장모드박막 성장모드박막 성장모드박막 성장모드1.5-21.5-21.5-21.5-2

박막 미세조직박막 미세조직박막 미세조직박막 미세조직1.5-31.5-31.5-31.5-3

보조 이온 건을 이용한 시스템 구성 및 실험 방법보조 이온 건을 이용한 시스템 구성 및 실험 방법보조 이온 건을 이용한 시스템 구성 및 실험 방법보조 이온 건을 이용한 시스템 구성 및 실험 방법2.2.2.2.

증착 시스템의 구성증착 시스템의 구성증착 시스템의 구성증착 시스템의 구성2.12.12.12.1

보조 이온 빔 장착에 따른 문제점 해결보조 이온 빔 장착에 따른 문제점 해결보조 이온 빔 장착에 따른 문제점 해결보조 이온 빔 장착에 따른 문제점 해결2.22.22.22.2

증착 기판의 중비증착 기판의 중비증착 기판의 중비증착 기판의 중비2.32.32.32.3

증착 공정증착 공정증착 공정증착 공정2.42.42.42.4

시편 분석 방법시편 분석 방법시편 분석 방법시편 분석 방법2.52.52.52.5

- 10 -

전자 빔 및 보조 이온 빔으로 증착된 막의 특성 결과전자 빔 및 보조 이온 빔으로 증착된 막의 특성 결과전자 빔 및 보조 이온 빔으로 증착된 막의 특성 결과전자 빔 및 보조 이온 빔으로 증착된 막의 특성 결과3.3.3.3.

기판의 온도 분포기판의 온도 분포기판의 온도 분포기판의 온도 분포3.13.13.13.1

금속 박막의 균일성금속 박막의 균일성금속 박막의 균일성금속 박막의 균일성3.23.23.23.2

산화물 박막에 미치는 보조 이온빔 효과산화물 박막에 미치는 보조 이온빔 효과산화물 박막에 미치는 보조 이온빔 효과산화물 박막에 미치는 보조 이온빔 효과3.33.33.33.3

3.3-1 SiO3.3-1 SiO3.3-1 SiO3.3-1 SiO2222 박막박막박막박막

박막구조박막구조박막구조박막구조3.3-1-13.3-1-13.3-1-13.3-1-1

미세조직미세조직미세조직미세조직3.3-1-23.3-1-23.3-1-23.3-1-2

분광특성분광특성분광특성분광특성3.3-1-33.3-1-33.3-1-33.3-1-3

조성분석조성분석조성분석조성분석3.3-1-43.3-1-43.3-1-43.3-1-4

3.3-2 TiO3.3-2 TiO3.3-2 TiO3.3-2 TiO2222 박막박막박막박막

박막구조박막구조박막구조박막구조3.3-2-13.3-2-13.3-2-13.3-2-1

미세조직미세조직미세조직미세조직3.3-2-23.3-2-23.3-2-23.3-2-2

분광특성분광특성분광특성분광특성3.3-2-33.3-2-33.3-2-33.3-2-3

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행3333

기술지원 추진 일정기술지원 추진 일정기술지원 추진 일정기술지원 추진 일정1.1.1.1.

수행 주체들의 담당업무 수행 정도 및 수행 방법수행 주체들의 담당업무 수행 정도 및 수행 방법수행 주체들의 담당업무 수행 정도 및 수행 방법수행 주체들의 담당업무 수행 정도 및 수행 방법2.2.2.2.

기자재 활용기자재 활용기자재 활용기자재 활용3.3.3.3.

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

부 록부 록부 록부 록

부록 현장 기술지도 일지부록 현장 기술지도 일지부록 현장 기술지도 일지부록 현장 기술지도 일지1.1.1.1.

- 11 -

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

박막이라는 개념은 세기 후반 에 의해 유막상의 액체박막의 발18 Benjamin Franklin

견으로부터 년 과 가 각각 화학반응 및 방전으로 형성된1852 Bunsen Grove Glow

고체박막을 확인한 것이 처음이라고 할 수 있다 짧은 역사에도 불구하고 박막의.

제조기술은 일상생활 광학분야 첨단산업 등의 급속한 발전에 힘입어 여러 분야에, ,

서 그 필요성이 증대됨에 따라 최근에 빠른 진전을 보이고 있으며 다양한 제조 방

법의 개발이 이루어지고 있다.

박막의 제조방법에는 크게 물리적 기상증착법 과(PVD: Physical Vapor Deposition)

화학적 기상증착법 으로 나누어지며 박막증착법(CVD: Chemical Vapor Deposition) ,

의 대분류를 그림 에 나타내었다1 .

그림 박막 증착 법 대분류그림 박막 증착 법 대분류그림 박막 증착 법 대분류그림 박막 증착 법 대분류1111

증착은 열원에 따라서 저항 열 전자빔 아크 레이저 등의 방법으로 재료를 가열, , ,

증발시켜 모재에 증착시키는 방법이며 모재에 증착되는 원자의 에너지는 에2000K

서 약 로 매우 낮다 스퍼터링 공정은 플라즈마 내의 양이온의 전기적인 힘0.2 eV .

에 의해 코팅재료에 충돌하면서 코팅재료의 원자가 밖으로 튀어나와 모재에 증착되

는 공정으로 이때 원자의 에너지는 정도이다1 ~ 2 eV .

- 12 -

한편 법은 등 여러 가지가 있으며 기체상의 성분, CVD APCVD, PECVD, LPCVD ,

들이 열 플라즈마 빛 등의 에너지에 의해 화학적으로 반응하여 기판 표면 위에 박, ,

막이 증착 되는 공정기술이다.

그러나 현재 사용되고 있는 증착 법들은 여러 문제점을 가지고 있다 예를 들면. ,

법의 경우 증발원에서 방출되는 원자나 분자의 운동에너지가 낮은 문제점과 반PVD

응성 증착을 위한 도입기체가 실온이어서 질화물이나 탄화물 등의 형성이 어려운

문제가 있고 법의 경우 기판의 가열온도가 높아야 하고 또 유해가스의 방출, CVD

로 인해 오염문제 때문에 소재 적용의 한계성이 있다 따라서 나 의 반응. PVD CVD

챔버에 플라즈마를 도입하는 방법이 연구되고 있다 그 중에서도 특히 이러한 문제.

점을 해결하기 위해 경제적이며 생산성이 우수한 전자빔 증착법에 플라즈마를 접목

한 방법인 이온플레이팅이 주목을 받고 있다.

이온 플레이팅은 증착법과 플라즈마를 발생시키는 방법이 혼합된 형태로 년1967

에 의해 처음 개발되었으며 그 당시에는 증착공정에 의해 재료를 증발D.M.Mattox

시킨 후 기판에 이상의 음극바이어스를 걸어 줌으로써 단순한 극형 글로- 1 kV 2

방전을 도입하여 플라즈마 내에서 코팅재료를 이온화시키게 되고 이렇게 생선된 양

이온은 전기적 힘에 의해 모재에 큰 에너지를 가지고 충돌하면서 증착되게 하는 방

법이었다 이온플레이팅의 가장 큰 특징은 생성된 양이온의 에너지가 약. 50 ~

정도로 앞의 두 가지 방법보다 훨씬 크다는 점에 있으며 그 결과로 모제5000 eV

에 큰 에너지를 가진 이온이 충돌하면 모재 표면에 있는 원자가 에너지를 받아서

확산이 용이해지고 또 를 형성하므로 밀도가 높고 접착력이graded-fused interface

우수한 증착 박막을 얻을 수 있다 또한 스퍼터링에 의한 모재의 청정화로 모재 표.

면의 산화물 같은 불순물이 제거될 수 있다 현재 위와 같은 장점을 지닌 이온플레.

이팅에 대해서 다양한 기술을 접목시킨 장비들이 개발되고 있다 그러나 국내에서.

는 기술력이 외국 선진업체에 비해 기술력이 낮고 장비업체의 영세성으로 인해 아

직 이러한 장비에 대한 연구개발이 미미한 실정이다 더욱 문제가 되는 것은 국내.

업체에서 장비를 만들어 보급할 때 보급하고자 하는 장비의 체계적인 증착막 재료

특성에 대한 데이터 부제로 어려움에 처하고 있다.

- 13 -

따라서 본 과제를 통해 기존의 전자빔 증착기에 이온빔 발생장치를 도입하여

을 국산화하고 개발된 장IBAD(Ion Beam Assisted E-Beam Evaporation System)

비의 성능을 점검하기 위해 여러 가지 화합물이나 금속의 증착을 통해 이온빔 보조

효과를 검토하였다 이를 위해 대표적인 광학박막 재료인. TiO2 및 SiO2를 와glass

기판 위에 전자빔 증착기와 이온빔 소스를 이용하여 각각 증착한 후 두 경우의Si

박막들에 대하여 광학적 특성과 미세조직을 상세히 분석하여 생산성이 우수하고 경

제적이며 질 좋은 광학박막을 제조할 수 있는 장비개발에 기여하고자 하였다.

- 14 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

막 두께 균일성 향상지원①

증착 재료에 따른 막 균일성 분석-

증착속도에 따른 균일성 분석-

기판 장착 지그 조건에 따른 막 균일성 분석-

기판 온도 균일성 향상 지원②

기판 온도분포에 따른 증착특성-

기판의 온도분포 분석-

저온 증착을 위한 진공 및 지그 기술지원chamber③

기판지그가 증착균일성에 미치는 영향-

저온 증착을 위한 방법 제안-

이온 보조빔 성능향상(lon Assisted Beam)④

기존의 성능 평가 분석- lon Source

개선- Multiple Performance lon Source

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

기판장착 지그형태에 따른 증착박막의 균일성 분석▷

지그형태에 따른 증착박막의 균일성 평가-

증착 조건 및 방법에 따라 박막에 미치는 영향 요소 파악-

박막증착 동안 기판의 온도균일성 및 스트레인 평가▷

전자빔파워에 따른 증착기판에 미치는 스트레인 변형도 평가-

전자빔 증착 동안 기판의 열 분포 특성 시뮬레이션-

신뢰성 확보를 위한 단위 부품 평가▷

증착박막 균일도를 위한 단위부품 향상 방안-

열적 안정 구조를 가지는 기판지그 구조개선-

기존 진공 및 샘플 성능 평가 및 개선지원chamber jig▷

반도체 및 광통신 부품 제조용 성능 평가 및 개선- Chamber & Jig

자체 설계 제작 능력 보유-

- 15 -

이온 보조빔 증착 공정을 위한 성능향상(lon Assisted Deposition)▷

기존의 성능 평가 분석- lon Source

개선- Multiple Performance lon Source

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

가 소유하고 있으며 에이엠에스가 필요로 하고 있는 증착기술과 박막분석 기KETI ,

술과 관련된 노하우를 회 이상의 직접 방문 내방 또는 다른 전문 연구 기50 , KETI

관 방문을 통하여 기술 지원하였으며 그 결과 과제에서 계획하였던 목표를 다음,

페이지에 요약한 결과와 같이 수행하였다.

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제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용2222

전자빔 증착시스템 이해 기술정보 제공 및 교육훈련전자빔 증착시스템 이해 기술정보 제공 및 교육훈련전자빔 증착시스템 이해 기술정보 제공 및 교육훈련전자빔 증착시스템 이해 기술정보 제공 및 교육훈련1. ( )1. ( )1. ( )1. ( )

증착 원리 및 특징증착 원리 및 특징증착 원리 및 특징증착 원리 및 특징1.11.11.11.1

박막을 형성하는 방법에는 크게 법과 법이 있는데 특히 법은 증착 스PVD CVD , PVD ,

퍼터링 이온 플레이팅법으로 나누어지며 증착에는 저항열 아크방전 전자빔 레이, , , ,

저 등을 이용하는 방법들이 있다.

저항열을 이용하는 방법은 증발원과 박막재료가 직접 접촉하는 형식인데 증발원이,

박막재료보다 고온이기 때문에 박막재료에의 불순물의 혼입 증발원재료와의 반응,

과 증발원 재료의 융점에 의한 제약 등의 문제가 있다 이러한 문제를 피하기 위하.

여 고안된 방법이 전자빔을 이용한 증착법이다.

전자빔을 이용한 진공증착은 매우 높은 전압을 가하여 필라멘트에서 방출된 열전자

들을 충돌시킴으로써 발생되는 열에 의해 증착하고자 하는 재료를 증발시켜 기판에

증착시키는 방법으로서 이는 고진공(10-5

이하 하에서 수냉도가니를 사용하므로torr )

저항가열식의 단점인 오염이 비교적 적고 고에너지를 가진 열전자를 집속하기 때문

에 고융점 재료도 증착을 할 수 있으며 증착속도 조절이 용이하여 최근에 널리 사

용되고 있는 방법이다.

전자빔에 의한 증발원의 증착은 크게 세단계의 과정을 거쳐 이루어지며 그 과정은

다음과 같다.

첫 번째 전자총에 의해 발생되는 전자빔이 자장에 의해 편향되어 진공중의 공간에,

서 큰 운동에너지를 가지고 고체 혹은 액체상태의 증발원에 집속하고 충돌하여 발

생한 열에너지에 의해 가스 상태로 기화되는 과정이다.

이 단계에서 실제 증발속도는 이론치의 정도이며 증발속도의 일반적인 식은10%

에 의해 다음과 같이 표현된다Hertz-Kundsen qeuation .

Ne 단위표면을 두드리는 분자의 수:

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Ae 증발되는 표면의 면적:

증발계수 관찰된 증발속도와 기대최대치와의 비율: ( )

분자 또는 원자 질량m :

표면온도T: (K)

볼츠만 상수k :

p : hydrostatic pressure

p*

압력: vapor

식에 의하면 단위시간당 단위표면을 두드리는 원자의 수는 증발되는 면적에 비(1)

례하고 챔버 압력이 낮을수록 증가하는 것을 알 수 있다.

두 번째는 챔버 내의 고 진공 중에서 기체사의 증발체가 증발 원과 기판사이를 통

과하여 이동하는 과정이다.

이 과정에서는 챔버의 진공도에 의해 영향을 받게 된다 즉 증발원에서 증발한 분. ,

자는 챔버 내의 잔류가스 분자와 충돌하면서 이동하게 되며 이때 증발한 분자가 어

느 정도 충돌하지 않고 직진할 수 있는가를 가늠하는 거리를 평균자유행로 (mean

또는 평균자유행정이라고 하며 기호 로 나타내고 이 값은 압력에 반비free path) λ

례하며 온도에 비례한다.

: collision cross sectionσ

가스밀도n : , N/V

부피V :

입자 밀도N :

표면온도T : (K)

볼츠만 상수k :

평균자유행정은 위의 식으로 나타내지며 상온에서의 는 압력에 따라 대략적으(2) λ

로 다음의 식을 따르며 이 때 압력의 단위는 파스칼이다(3) .

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식은 상온의 열평형 상태에서 기체분자의 평균자유행정을 타나내는 것이므로 진(3)

공증착에서 증발하는 분자의 온도는 평균 이상의 경우가 많기 때문에 실제1000K

의 값에는 한 자릿수 정도의 차이가 있을 수 있다.

세 번째는 기판에 도달한 기체상의 증발체가 응축하여 핵생성과 성장을 거쳐 증착

층을 형성하는 과정이다.

마지막 증착 층을 형성하는 과정에서는 박막 성장 방법에 판해 크게 가지, 3

와Volmer-Weber Mode, Stranski-Krastonov Mode Frank van der Merwe Mode

이론이 있다.

그림 와 그림 은 거리에 따른 증착 두께의 차이를 보여주고 있다 기판의 중앙2 3 .

부분에서 가장자리로 갈수록 두께는 감소하며 이는 그림 와 같이 증발체의 이동경2

로가 조금씩 다르기 때문이고 증착되는 위치에 따른 두께 분포는 식 를 따르게(5)

되며 이를 그림 에 나타내었다7 .

증발체 표면에 수직인 방향으로 부터의 각, :θ φ

증발체가 기판으로 이동하는 거리h, r :

여기서 가장 두꺼운 부분이 두께를 d0 라고 하고 길이 만큼 떨어진 곳의 두께를1

증발 원과 기판사이의 거리 증착거리 를 라고 하면 두께 분포는 아래의 식으로d, ( ) h

표현할 수 있다.

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위의 식에서 나타내는 바와 같이 균일한 증착층을 얻기 위해서는 증발원과 증착하

고자 하는 시편의 위치조정이 중요하며 기판의 모양을 마치 볼록렌즈형태로 제조하

고 증발원과 기판사이의 거리를 일정하게 만드는 방법 기판 혹은 시편 홀더를 회,

전시켜 증발체가 기판 모든 부분에 고루 도달할 수 있도록 하는 방법과 여러 가지

형상의 마스크를 증발 원 위에 적절하게 장착하는 방법들을 사용하고 있다.

그림 전자빔을 이용한 증착 공정그림 전자빔을 이용한 증착 공정그림 전자빔을 이용한 증착 공정그림 전자빔을 이용한 증착 공정2222

그림 와 의 박막 두께 균일성그림 와 의 박막 두께 균일성그림 와 의 박막 두께 균일성그림 와 의 박막 두께 균일성3 point surface3 point surface3 point surface3 point surface

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전자빔 증착기의 구성전자빔 증착기의 구성전자빔 증착기의 구성전자빔 증착기의 구성1.21.21.21.2

전자빔 증착기는 일반적으로 진공 챔버 진공배기장치 전자빔 증발장치의 세가지, ,

부분으로 구성되어 있다 진공 챔버는 유리 또는 금속으로 이루어져 있으나 현재는.

거의 스테인리스강으로 된 챔버를 사용하고 있으며 전자빔의 자기장에 의한 간섭을

막기 위해 전자빔 증발장치 주위는 주로 스테인리스강을 사용하고 있다 진공304 .

배기 시스템은 작동압력에 따라 저진공 펌프 고진공 펌프 초고진공 펌프로 나누어, ,

지며 작동원리에 따라 가스 형과 가스 형으로 나뉜다, transfer trap .

표 진공 압력에 따른 펌프표 진공 압력에 따른 펌프표 진공 압력에 따른 펌프표 진공 압력에 따른 펌프1111

표 동작 원리에 따른 펌프표 동작 원리에 따른 펌프표 동작 원리에 따른 펌프표 동작 원리에 따른 펌프2222

표 과 에 이들 펌프를 분류하였다 전자빔 증발장치는 전자빔이 증발체를 향해1 2 .

나가는 방향에 따라 직접적으로 증발체에 전자빔을 조사하는 방법과 전자빔이 증발

물질의 증발경로 밖으로 조사되는 방법이 있다 후자의 경우 전자빔이. 90 ~ 270

의 범위로 편향되는 것을 사용한다.℃

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이온빔의 작동원리이온빔의 작동원리이온빔의 작동원리이온빔의 작동원리1.31.31.31.3

이온건의 작동원리를 살펴보면 그림 에 나타낸 바와 같이 에 흐르는 전류4 filament

는 를 가열하게 되고 가열된 표면으로부터 열전자의 방출이 이루filament filament

어지게 된다 는 가열을 위한 전원에 연결되어 있을 뿐만 아니라. Filament filament

의 표면에서 출발하는 전자에 에너지를 부여하기 위하여 적절한 에DC (-) power

대전되어져 있다 이는 방출된 열전자가 가스입자와 충돌하여 가스원자를 이온화시.

키기 위해서는 가스원자의 이온화 에너지 이상의 에너지를 전자에게 부여해야하기

때문이다 방출된 열전자는 이온 건 외부에 설치된 영구자석의 자장에 의하여 다음.

과 같은 를 받게 된다Lorentz force .

F = q [E + (v×B)]ㆍ

이와 같은 에 의하여 전자의 직선비행운동이 나선형곡선운동으로 바Lorentz force

뀌게 되고 결과적으로 전자의 비행거리가 길어져 유입된 가스입자와 더 많은 충돌

을 이루게 되므로 효율적인 플라즈마 방전이 이루어지게 된다 가스의 이온화에 의.

하여 형성된 전자는 이온 건 의 양극 을 통하여 흐르므로source chamber (anode)

를 형성하게 된다discharge current .

그림 필라멘트 방전타입 의 모식도그림 필라멘트 방전타입 의 모식도그림 필라멘트 방전타입 의 모식도그림 필라멘트 방전타입 의 모식도4 Kaufman lon Gun4 Kaufman lon Gun4 Kaufman lon Gun4 Kaufman lon Gun

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또한 그림 에 제시되어 있는 에5 anode (+) Vbeam을 대전시켜서 플라즈마에 의하여

형성된 이온의 전위를 높이게 되므로 최종적으로 시편에 충돌하는 이온의 에너지는

Vbeam에 의하여 설정되게 된다.

플라즈마 방전에 의하여 형성되어 앞에 모여 있는 이온은 플라즈마 전screen grid

위에 해당하는 이온의 위치에너지와 의 전위와의 전위차이accelerator grid (-) ,

Vtotal 에 의하여 이루어지는 전위구배에 의하여 가속되므로 최종적으로 accelerator

밖으로 이온빔이 추출된다 이때 실제적으로 이온은 의 을 따라 진행grid . grid hole

하므로 표면의 전위인 실선을 따르지 않고 속에 존재하는 전위인 점선을grid hole

따라 진행하게 된다 진공 속에 분사된 이온빔은 로 대전된 입자들의 집합체이. (+)

므로 자체가 가지는 전위가 어느 정도 의 위치를 가지게 되고 그림 에서와 같(+) 5

이 의 위치에너지를 따라 이온이 진공 속에서 진행하게 된다 이(+) . Target ground

에 접지되어 있으므로 최종적으로 이온이 도달하는 의 위치에너지는 이다target 0 .

그러므로 이온빔은 순 Vbeam의 에너지를 가지고 에 충돌하게 된다target .

그림그림그림그림 5 Potential variation through ion optics5 Potential variation through ion optics5 Potential variation through ion optics5 Potential variation through ion optics

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이와 같은 이온 건은 로켓 발사체를 연구하던 에서 시작되어 현재의 첨단 산NASA

업분야에 다양하게 사용되고 있고 현재 개발되었거나 개발되고 있는 이온 건의 종

류는 다양하다.

이온 건은 주로 를 사용하게 되는 과 를 사용하지 않는grid kaufman type grid

으로 대별할 수 있고 은 방전을 일으키는 플라즈마endhall type kaufman type

의 종류에 의하여 다양하게 구분하여 줄 수 있다 또한 필라멘트 타입의 산source .

소가스 사용에 대한 취약성 때문에 전원을 사용하여 플라즈마를 일으키는RF RF

은 가스 종류에 제한받지 않는 방법으로써 다양한 프로세스에의 적용에 유리하type

다.

이온빔의 특성이온빔의 특성이온빔의 특성이온빔의 특성1.3-11.3-11.3-11.3-1

이온 전류1)

전자나 이온과 같이 대전된 입자가 일정한 공간상에 밀집하여 존재하게 되면 밀집

된 전하밀도에 의하여 전하집단의 표면에 전기장의 구배가 생기고 이에 의하여 전

하를 가진 입자들은 외부로 향하는 힘을 받게 된다 이와 같은. space charge

에 의하여 이온들이 시편표면에 도달하는 동안에 이루어지는 비행거리와 이effect

온의 속도에 의하여 이온전류가 달라지게된다 이온 건으로부터 나온 이온전류는.

특히 이온건 바로 앞에서 높은 이온전하의 축적에 의하여 를space charge effect

형성하므로 기판에 도달하는 이온전류를 높여주기 위해서는 이온에 의하여 형성되

는 양전하 분포를 중성화시켜 주어야 할 필요가 있다 그러므로 이온 건 앞에 전자.

를 공급하여 주면 이온전하가 밀집된 공간상에 음전하를 띄고 있는 전자로 이온의

양전하 밀도를 희석시켜 줄 수가 있게 된다 이와 같이 이온을 전자로 중성화시키.

는 것이 아니라 전자를 추가로 공급하여 전자와 이온이 하나의 공간상에 공동으로

섞여서 존재하게 함으로써 를 없애는 방법이 그림 에서와space charge effect 4

같은 를 사용한 방법이다 을 통하여 열전자를 공급하여neutralizer . Filament heating

주는 방법은 간단하면서도 대표적으로 사용되는 의 한 방법이다 이온빔neutralizer .

분사 전면에 있는 대전입자의 축적에 의하여 생기는 에 의한space charge effect

이온전류는 으로 다음과 같이 표기된다Child-Langmuir equation .

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이온의 에너지2)

이온건 내부의 이온과 전자 그리고 중성가스를 포함하고 있는 플라즈마의 전위는

그 위치가 특정한 전위에 고정되어있지 않고 플로팅 된 상태이므로 적당히(floating)

원하는 전위를 가하게 되면 플라즈마는 가한 전위에 준하는 양만큼 (Vanode+Vplasma)

위치에너지가 높아지게 된다 높아진 플라즈마의 전위에 있는 이온만을 상대적으로.

낮은 전위의 를 통하여 가속시켜 뽑아내면 원하는 에너지를 갖는 순수 이온빔grid

을 만들어 낼 수 있게 된다 이때 이온은 이온이 출발하는 플라즈마의 전위와 최종.

적으로 이온이 충돌하게되는 시편이 갖는 전위와의 차이에 해당하는 에너지를 가지

고 시편에 충돌하게 된다.

이온 전류밀도3)

이온들이 쌓여 를 형성하게 될 때 으로positive space charge space charge region

의 차원적인 전장 의 변화는 다음과 같다1 (E) .

(Maxwell's eqn. or Gauss' law)

dE/dx = p/ε0 = njqj/ε0

nj = conc.of charged particle j, m-3

qj = particle charge (coulombs=Asec)

ε0 = electrical permitivity of vacuum=8.84*10-12f/m

속도 에서의 는v current density ,

j = nqv

초기 속도가 없을 때 와 의 합이 일정한 의 에potential energy kinetic energy ion

너지 보존법칙에 의하여

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상기 가지 조건으로부터 전개해나가면3

단일 전하를 가지는 이온의 경우, q=e

그러므로

이를 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.

까지 적분하면V = 0 V, x = 0 x→ →

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는 다음과 같다Ion current density, j .

이온 건의 응용 및 전망이온 건의 응용 및 전망이온 건의 응용 및 전망이온 건의 응용 및 전망1.41.41.41.4

이온건의 사용은 첨단 산업에서 시작되어 이제는 광범위한 산업분야에 다양하게 응

용되어지고 있다 이들은 또한 물질의 합성을 결정하는데 중요한 변수가 되는 에너.

지와 를 인위적으로 조절할 수 있으므로 신 물질 개발에 있어서 뿐만 아니라 학flux

문적인 연구에 있어서 유용한 도구가 되어 사용되어지고 있다 이온 건이 이용되는.

방법에 있어서는 아래와 같은 구분이 가능하다.

이온빔 에칭이온빔 에칭이온빔 에칭이온빔 에칭1.4-11.4-11.4-11.4-1

반도체 공정에 있어서 기능성 박막재료의 증착 못지않게 이들의 필요한 작동상의

기능을 위하여 필요하지 않은 부분을 깎아 내는 에칭공정도 중요하다 이온빔에 의.

한 에칭은 다양한 장점을 내세울 수 있겠지만 그 중에서도 한 모양의 배선면sharp

제작이 가능하고 에칭의 이 없으므로 탁월한 전자이동의 회로를 구성over shooting

할 수 있게 해 준다 또한 뿐만 아니라 까지도 제어할 수 있. undercutting wall slope

는 장점이 있다 낮은 에너지의 반응성 가스를 이용한. reactive ion beam etching

이나 각기 다른 재료들의 에칭속도를 선택적으로 조절할 수 있는 chemically

등도 유용한 응용분야이다assisted ion beam etching .

이온빔 세척이온빔 세척이온빔 세척이온빔 세척1.4-21.4-21.4-21.4-2

원하는 물질의 증착에 앞서 낮은 에너지의 이온빔을 이용하여 기판 표면에 묻어있

는 유기물을 청소해 줄 수 있다 즉 이온빔의 표면충돌에 의하여 표면의 불순물 원.

자들을 스퍼터 에칭시켜 주면 이후 이루어지는 증착층과 기판간의 접촉을 양호하게

하여 주므로 기판과 증착층간의 전류의 흐름에 의하여 이루어지는 전기적 기능성을

향상시켜주고 시편 표면의 특성을 밀착력이 양호하도록 바꾸어 준다.

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또한 이온빔에 의한 에칭은 낮은 압력 하에서 이루어지므로 챔버 내부 가스에 의한

다른 증착층 표면의 재오염을 막아주게 된다 기판뿐만 아니라 증착물질의 소스인.

타겟을 하게되면 오염물질을 사전에 제거해주어 박막의 질을 높여주는 결cleaning

정적인 역할을 하게 된다 이와같은 은 반도체뿐만 아니라 인텔리전트 빌. cleaning

딩에 적용되는 기능성 유리나 거울 자외선 차단유리 적외선 방출억제용 유리 전자( , ,

착색유리 전자커튼 습기제거용 거울 등 에 적용되어질 수 있고 카세트 비디오테( ), ) ,

이프 등에 적용되는 의 기저물질인 등의magnetic tape polyethylene film

전자기파 차단막 증착을 위한 기판의 등 무수히 많은 분precleaning, precleaning

야에 적용할 수 있다.

이온빔 증착이온빔 증착이온빔 증착이온빔 증착1.4-31.4-31.4-31.4-3

이온빔을 이용한 증착 은 반도체분야나 안경과 적외선 센서용 창 렌즈(deposition) ,

등에 적용되어지는 각종 기능성 광학코팅 그리고 각종 신소재의 합성에 활용되고,

있다 이와 같은 기능성 코팅은 이온빔을 이용하여 또는 를. single-layer multi-layer

증착하기도 하고 혹은 의 합성을 위하여 동시 증착할 때 이용되어질 수alloy film

있다 이온빔 증착에 의한 박막은 기존의 박막 증착 방법보다도 훨씬 낮은 저 진공.

에서 이루어 질 수 있으며 이온의 에너지와 를 조절하여 증착할 수 있으므로 고flux

품질의 박막을 얻을 수 있다 이온빔을 이용한 증착은 아래와 같이 구분할 수 있다. .

이온빔보조증착1) (Ion Beam Assited Deposition)

한 개의 이온빔은 증착하고자 하는 재료인 에 를 가지고 스퍼터target high energy

시켜서 기판에 증착되게 하고 다른 또 하나의 이온빔은 기판에 스퍼터 된 target

원자의 증착과 동시에 이온빔을 조사해 주면 조사되는 에너지의 보조low energy

를 받게 되므로 증착 층의 물성을 다양하게 조절할 수 있게 된다 보조이온빔을 이.

용하여 증착하기 전에는 기판의 을 하여 줄 수 있고 증착되는 동안에는 증cleaning

착물질 위에 적절한 에너지를 가하여 증착 층의 물성을 향상시켜 줄 수 있을 뿐만

아니라 보조이온빔에 사용하는 가스를 반응가스를 사용할 시에는 증착 층의 화학적

조성까지도 조절 할 수 있게 된다.

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직접이온빔증착2) (Direct Ion Beam Deposition)

이온빔보조증착에서는 스퍼터 되어 증착되는 물질이 중성원자이므로 스퍼터 될 때

가지고 있는 이하의 에너지를 가지고 증착된다 그러므로 보조이온빔을 이용20eV .

한 추가의 에너지가 필요하게 된다 그러나 보조이온의 원자질량과 증착되는 물질.

의 원자질량이 다르므로 두 원자간의 에 있어서 에너지의 전이효율binary collision

(γm 이 떨어지게 된다 그러나 증착되는 가 상온에서 로: APPENDIX A) . source solid

존재하는 의 자체를 이온으로 만들어 줄 수만 있다면 이온에 전기적target atom

을 가하여 원하는 에너지를 가지게 할 수 있다 그러므로 증착되는 물질potential .

자체가 보다 단일한 에너지를 가지고 좋은 에너지 전이효율을 가지면서 직접 증착

되므로 증착되는 원자의 표면이동도 가 좋아지며 증착되는 물질의(surface mobility)

특성을 에너지 조절에 의하여 보다 정확히 조절할 수 있다 또한 보조 가스 이온빔.

을 사용하지 않으므로 초고진공에서 증착이 이루어질 수 있고 증착물질에 보조이온

의 오염을 줄일 수 있다.

이온빔을 이용한 증착은 매우 새로운 기술 분야로서 신소재 개발 및 특성 평가 차,

세대 반도체 기술개발 재료 특성의 개질 박막성장기술 표면 계면 분석 등 여러, , , /

분야에 걸쳐 원천적인 기술개발의 가능성이 매우 높다 .

그 자체가 물질을 이루는 원소이므로 매우 다양하며 새로운 물질의 개발 물질특성,

의 향상 소재의 조성 및 구조 분석에 큰 기여를 할 수 있다, .

이 분야는 이미 국내에 상당한 연구기반이 구축되어 있어 좋은 연구결과가 나오고

있으므로 이온빔 기초기술부터 응용기술과 장비개발까지 중장기 연구 계획을 수립

하여 수행한다면 국내의 신소재 반도체 산업의 독자적인 첨단 기술 개발에 큰 기,

여를 할 것이다.

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전자빔 증착 박막의 조직전자빔 증착 박막의 조직전자빔 증착 박막의 조직전자빔 증착 박막의 조직1.51.51.51.5

증착 박막에 영향을 미치는 인자증착 박막에 영향을 미치는 인자증착 박막에 영향을 미치는 인자증착 박막에 영향을 미치는 인자1.5-11.5-11.5-11.5-1

전자빔 증착으로 제조한 박막의 성질은 기판의 온도 충돌하는 입자의 에너지 주입, ,

가스의 양과 종류 증착전류 및 압력 등에 따라 달라지며 증착층은 증기입자가 거, ,

의 직선으로 이동되어 증착되므로 기판에 수직한 주상정 형태의 조직을 형성하며

높은 비등방성을 가지게 되어 재료의 물리적 성질에 많은 영향을 미치게 된다 따.

라서 박막의 성질은 위의 여러 가지 인자의 단일 또는 복합적인 조건을 검토하고

증착시킬 재료의 물리적 특성을 파악함으로써 원하는 증착층을 시편의 표면에 형성

시킬 수 있다.

박막성장 모드박막성장 모드박막성장 모드박막성장 모드1.5-21.5-21.5-21.5-2

증착 층은 증착되는 원자나 분자가 연속적으로 모여 개면영역이 발달하면서 형성되

기 시작하는데 어디에서 계면영역이 끝나고 코팅층이 시작되는지는 결정하기가 어

렵다 그 이유는 입계 확산과 같은 과정으로 기판재료가 증착층 안으로 침투하게.

되고 이러한 과정이 증착층의 표면에까지 이르기 때문인데 이러한 증착층의 성장과

정변화는 크게 와Volmer-Weber Mode, Stranski-Krastonov Mode Frank van der

가 있으며 다음과 같다Merwe Mode .

[Volmer-Weber Mode][Volmer-Weber Mode][Volmer-Weber Mode][Volmer-Weber Mode]

차원적인 이며 박막의 단위면적 당 표면에너자가 기지보다 높3 island growth mode

으면 가 형성되어 성장하며 격자불일치 가 크면cluster(island) (lattice mismatch)

가 형성된다Volmer-Weber Mode .

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[Stranski-Krastonov Mode][Stranski-Krastonov Mode][Stranski-Krastonov Mode][Stranski-Krastonov Mode]

이며 첫째 열 또는 몇 개의 층이 완전 하게Layer plus island growth mode smooth

성장하고 그 위에 가 성장하는 현상이며 박막기지의 에너지가 강하여 박막, cluster

의 완전히 표면을 덮고 그 위에 증착 층이 를 형성하여 성장하는 모드이다cluster .

[Frank van der Merwe Mode][Frank van der Merwe Mode][Frank van der Merwe Mode][Frank van der Merwe Mode]

이며 차원적인 박막성장 모습을 보이고 격자불일치Layer by layer growth mode 2

가 거의 없거나 매우 적을 때 발생하며 박막과 기지의 표면 에너지의 비가 거의 일

치할 때 성장한다.

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박막 미세조직박막 미세조직박막 미세조직박막 미세조직1.5-31.5-31.5-31.5-3

과 은 법으로 박막을 증착하였을 때 증착 층의 조직이 기Movchan Demchishin PVD

판의 온도함수로 작용하는 원자의 유동 조건 및 기판과 증발물의 온도에 의하여 결

정된다고 보고하였으며 이 모식도를 그림 과 그림 에 나타내었다6 7 .

그림그림그림그림 6 Structure zone diagram proposed by (a) Movchan & Demchishin, (b)6 Structure zone diagram proposed by (a) Movchan & Demchishin, (b)6 Structure zone diagram proposed by (a) Movchan & Demchishin, (b)6 Structure zone diagram proposed by (a) Movchan & Demchishin, (b)

Thornton.Thornton.Thornton.Thornton.

그림 와 에서 저온구역인 에서의 성장은 낮은 표면유동성과 그림자효6 7 , zone Ⅰ

과 로 인하여 주상정 조직들은 서로 약하게 결합되어 있는데 이 결(shadow effects)

합은 의 모양과 같은 조직이 많아질수록 약하게 된다 온도가 더 높은zone .Ⅰ

에서는 표면의 유동성이 더 활발해지고 또 표면 확산효과로 인해 증착 층zone ,Ⅱ

의 기둥모양인 주상정조직의 경계가 점차로 입계와 같아지게 되어 부드러운 표면형

상을 가진 일정방향의 주상정으로 된다 보다 온도가 더 높은 구역인. zone zoneⅡ

에서는 확산이 더욱 가속화되어 원자의 활발한 이동에 의한 재 결정화와 결정입Ⅲ

자의 성장으로 인해 등축 결정입의 조직이 나타나게 된다.

- 32 -

은 금속이 증발되면서 기판에 충돌할 때 큰 에너지를 갖게 된 원자에 의Thornton

해 빈 공간이 채워짐으로써 과 사이에 등축의 결정립을 가진zone zoneⅠ Ⅱ

가 생성되며 는 보다 조직이 더욱 치밀하다고 하였다zone T zone T zone .Ⅱ

그림그림그림그림 7 Model of structural zone proposed by Grovenov et al.; T7 Model of structural zone proposed by Grovenov et al.; T7 Model of structural zone proposed by Grovenov et al.; T7 Model of structural zone proposed by Grovenov et al.; Tssss : substrate: substrate: substrate: substrate

temperature in K, Ttemperature in K, Ttemperature in K, Ttemperature in K, Tmmmm : melting temperature in K: melting temperature in K: melting temperature in K: melting temperature in K

이러한 박막의 성장과정은 에너지 입자의 조사에 의해 심각한 영향을 받을 수 있으

며 Ts/Tm 의 관점에서 구조로 성장할 것으로 예상된 박막들이 성장하는zone Ⅰ

동안 더욱 큰 에너지를 가진 입자의 조사에 의해 나 와 같은 더zone zone TⅡ

의 구조로 발전할 수 있다 성장 중인 박막에 에너지를 가진 입자가 조high order .

사될 경우 박막을 구성하는 원자들은 입사되는 입자의 에 의해, forward sputtering

들 사이의 공간으로 이동하게 되어 결과적으로 조밀하게 밀집된grain , fibrous

을 형성시킨다 따라서 에너지 입자의 조사에 의해서 만들어진 박막grain . zone Ⅱ

은 매끈한 표면과 높은 밀도 그리고 벌크 물질과 비슷한 성질 때문에 광학박막과

유전체 박막에 매우 바람직한 형태의 구조로 인식되어 왔다.

- 33 -

보조 이온 건을 이용한 시스템 구성 및 실험방법보조 이온 건을 이용한 시스템 구성 및 실험방법보조 이온 건을 이용한 시스템 구성 및 실험방법보조 이온 건을 이용한 시스템 구성 및 실험방법2.2.2.2.

본 연구의 목적 달성을 위해 아래와 같은 방법으로 진행하였다 우선 와 기. glass Si

판을 이용하여 증착 공정을 진행하였으며 사용된 증착 물질은 전자 빔을 이용해서,

는 금속 박막을 증착하여 두께의 균일성에 관한 측정을 수행하였다 이온 보조 빔.

을 이용한 증착을 위해서는 TiO2 와 SiO2 막을 다양한 조건 하에서 증착시켰으며,

실험 과정에서 생기는 문제를 토대로 시스템의 수정을 가하여 해결을 하였다 실험.

의 흐름도는 그림 에 나타내었으며 아래에 자세히 설명하였다8 , .

그림 실험 흐름도그림 실험 흐름도그림 실험 흐름도그림 실험 흐름도8888

증착 시스템의 구성증착 시스템의 구성증착 시스템의 구성증착 시스템의 구성2.12.12.12.1

그림 에 보조 이온 건을 탑재한 시스템의 구조를 간략하게 나타내었으며 그림9 , 10

에 챔버 내부의 모습과 의 를 보여주고 있다 챔버 재질은endhall type Ion source .

을 사용하였으며 절연을 좋게 하기 위해 각 부위마다 세라믹을 사용하였STS#316L

다 전원부는 전자 방출하는 쪽은 정현파를 사용하였으며 양음극은 정류된 전. AC ,

원을 공급하였다 의 각도 제어를 위한 자석은 열에 강한 알리코 자석을 사. E-gun

용하였으며 필라멘트는 전자 방출을 효율적으로 하기 위해 텡스텐을 사용하며 필,

라멘트의 분해 조립을 쉽게 하기 위해 별도의 도입 단자를 설치했다.

- 34 -

그림 시스템 개략도그림 시스템 개략도그림 시스템 개략도그림 시스템 개략도9999

그림 보조 이온 빔 증착시스템 사진 시스템 전면 보조이온빔그림 보조 이온 빔 증착시스템 사진 시스템 전면 보조이온빔그림 보조 이온 빔 증착시스템 사진 시스템 전면 보조이온빔그림 보조 이온 빔 증착시스템 사진 시스템 전면 보조이온빔10 ; (a) (b)10 ; (a) (b)10 ; (a) (b)10 ; (a) (b)

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보조 건을 이용하기 위해서는 방전 가스의 흐름과 의 방출을 원활하게 하Ion Ion

기 위해 내부에 가스 흐름을 좋게 하기위한 챔버 형태의 분사 막을 설치하였고 양

극 의 전원 공급을 원활히 하기 위해 직접 연결하여 최소한의 전기적 저항(Anode)

을 줄였다.

또한 자유스럽게 각도와 높낮이를 할 수 있도록 관절 부를 설치하여 증착하고자 하

는 방향을 자유스럽게 설정 할 수 있도록 하였다.

보조 이온빔 장착에 따른 문제점 및 해결보조 이온빔 장착에 따른 문제점 및 해결보조 이온빔 장착에 따른 문제점 및 해결보조 이온빔 장착에 따른 문제점 및 해결2.22.22.22.2

보조 이온빔을 장착하여 박막 증착과정에서 크게 가지의 문제들이 발생 하였으며5

이러한 원인들은 주변 장치들에 영향을 주어 원활한 증착공정을 수행하는데 저해요

소로 작용되었다 예를 들면 에 의한 제어기 보드 및 두께 측정기. charging thermal

의 파손과 박막 증착 중 의 불안정성 그리고 박막 증착 중oscillator Ion current ,

전자빔 등의 현상을 유발 시켰다 아래 시스템에 보조 이온빔을 장착하shut down .

여 박막 공정 중 유발된 문제점들과 해결방법에 관하여 요약하였다.

문제Arc Charging①

전자 방출하는 전원부가 정현파 분할이 안 되면 가 심하게 발생하여AC 50:50 Arc

전원을 정확히 정현파 교류을 공급하였다AC 50:50 .

증가 문제Emission current②

증가는 필라멘트에 가해지는 전류가 증가 전류가 증가Emission current , Anode

할수록 또는 자석의 전자 밀도가 높을수록 증가하나 너무 높이면 간의Ion Source

전압차가 심해서 매우 불안정한 가 발생하게 된다 따라서 적정한 값이 요구되Arc .

어진다.

접지 문제③

본 실험에서 느낀 바에 의하면 접지가 매우 중요한 요인이 된 다는 걸을 알았다.

는 별도의 가 없기 때문에 내부에 존재하는 여 전자Endhall ion source neutralizer

등을 외부로 빨리 이송시켜 챔버 내부에서 과전자 등으로 평형을 이루지 못하면

나 이상 방전을 일으키게 됨으로 접지를 매우 잘해야 한다arc .

- 36 -

전자 방출 증가④

필라멘트을 하나 또는 두 개를 설치하여 시험하여 본 결과 하나일 때 보다는 두개

일 때 전류가 적더라도 더욱 안정적인 걸로 확인 할 수 있었으며 이때 전원anode

부가 공급 능력 이 충분한가을 확인해야 한다.

증착 기판의 준비증착 기판의 준비증착 기판의 준비증착 기판의 준비2.32.32.32.3

본 연구에서는 코닝 사 미국 에서 제조한 인치 와 인치 기판 위에( ) 3 glass 4 Si

TiO2 및 SiO2를 증착시켰으며 금속 박막은 기판위에 증착시켰다 금속 박막은, Si .

전자빔 증착 법을 이용하였으며 산화 막은 보조 이온빔을 이용한 전자빔 증착법으,

로 박막을 형성하였다 기판은 오염을 줄이기 위해서 기판흘더에 장착하기. Glass

전에 전처리를 하였다 기판 표면의 파티클 및 금속불순물 제거를 위해 세정. RCA

법 을 이용하였다(W. Kern and D.A.Poutinen : PCA Review. V.31. 1970, p.187) .

여기서 암모니아(NH4 수용액과 과산화수소OH) (H2O2 물), (H2 의 혼합액을 이O) SC-1

라 부르고 파티클 제거에 유효하며 염산 과 과산화수소 물의 혼합액, , (HCL) , (SC-2)

은 금속이온의 제거에 유효하다 이 두 가지를 조합함으로써 두 종류의 오염을 연.

속적으로 제거할 수 있게 된다 자세하게는 기판의 경우 아세톤에서 분간. glass 10

세척 후 NH40H:H202:H2 용액에서 로 가열 후 분 동안 초음파세척0(1:1:5) 80 30 ,℃

순수 린스, HCl:H202:H2 용액에서 로 가열 후 분 동안 초음파세척 순0(1:1:6) 80" 30 ,

수 린스 후 스핀 드라이 공정을 통해 건조 시켰다 기판의 경우는. Si 120℃

용액piranha (H2S04:H202 에서 분 세척한 후 순수 린스 및 스핀 드라이 공정=4:2) 15

을 통하여 건조 시켰다. NH40H, H202 용액은 각각 수용액을 이, HCl 27, 70, 37%

용하였다.

증착 공정증착 공정증착 공정증착 공정2.42.42.42.4

본 연구에서 사용한 증착장치는 그림 에 나타낸 것과 같이 크게 챔버 진공 배기9 ,

장치 및 증발장치로 이루어져 있으며 가스도입장치 의 보조 이온 건, endhall type

장치 기판 가열장치 및 가 장착되어 있다 진공 배기장치는 저, thickness monitor .

진공 펌프인 로타리 펌프와 고진공 펌프인 펌프로 이루어져 있으며 또cryogenic ,

한 기판 장착을 위해 공전과 자전이 함에 이루어지는 지그를 이용하였다satellite .

- 37 -

증착공정은 크게 증착용 기판을 세척하여 장착하는 전처리과정 로타리 펌프를 이,

용하여 저 진공 ( 10-3

이하 으로 배기시키고 펌프를 이용하여 고torr ) cryogenic

진공 ( 10-7

이하 으로 챔버 내부의 압력을 형성하는 과정 및 증발장치를 이용torr )

한 증착과정으로 진행되어 졌다 증착과정은 전자빔 증착을 이용한 경우 총 용량.

의 사의 제품을 이용하였으며 전자빔 편향 각도 의 전자 빔을15kW Temescal , 220°

이용하여 증착하였다 이때 균일한 두께의 막을 얻기 위하여 으로 회전. 20rpm/min

시키고 기판의 온도는 상온부터 까지 온도의 변화를 주면서 막을 형성하였300℃

다 사용된 히터는 용량의 적외선램프를 이용하여 열전대와 자동 온도 조절. 500 W

장치를 이용하여 제어하였으며 보조 이온 건을 이용할 때에는 산소와 아르곤의 비,

율에 변화를 주면서 실험을 행하였다.

시편 분석 방법시편 분석 방법시편 분석 방법시편 분석 방법2.52.52.52.5

증착된 시편은 을 이용하여 단면과 표면을SEM (Scanning electron microscope)

관찰하였으며 으로 표면을 관찰하고 표면 거칠기AFM (Atomic force microscope)

를 측정하였다 금속 박막의 경우는 을 이용하여 두께 균일성을 측정(Rms) . a-step

하였으며 산화 막의 경우 광학적 특성을 조사하기 위하여, UV/Vis/NIR

를 이용하여 반사율과 투과율을 측정하였으며 의 파Spectrophotometer 632.8 nm

장에서 로 굴절률을 측정하였다 또한 측정에ellipsometer . XRD (X-ray diffraction)

의해 산화 막의 구조특성을 확인하였다.

전자 빔 및 보조 이온 빔으로 증착된 막의 특성 결과전자 빔 및 보조 이온 빔으로 증착된 막의 특성 결과전자 빔 및 보조 이온 빔으로 증착된 막의 특성 결과전자 빔 및 보조 이온 빔으로 증착된 막의 특성 결과3.3.3.3.

기판의 온도 분포기판의 온도 분포기판의 온도 분포기판의 온도 분포3.13.13.13.1

기판의 크기와 종류에 따른 온도 분포 특성에 관하여 관찰하였다 사용된 기판은.

및 기판이며 기판크기와 시간에 따른 온도의 특성은 각각 인치와 인치glass Si , 3 4

기판을 이용하여 실험하였다 히터 종류는 적외선램프를 이용하였으며Si . ,

열전대를 이용하여 온도를 측정하였고 기판 장착은Chromel-Alumel (CA) satellite

지그를 사용하여 장착하였다 그림 과 에 각각 인치 및 인치 기판에 대. 11 12 3 4 Si

한 온도 분포 특성을 나타내었다.

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그림 인치 기판의 온도 분포 특성그림 인치 기판의 온도 분포 특성그림 인치 기판의 온도 분포 특성그림 인치 기판의 온도 분포 특성11 3 Si11 3 Si11 3 Si11 3 Si

그림 인치 기판의 온도 분포 특성그림 인치 기판의 온도 분포 특성그림 인치 기판의 온도 분포 특성그림 인치 기판의 온도 분포 특성12 4 Si12 4 Si12 4 Si12 4 Si

인치 기판의 경우 까지 도달 시간은 약 이었으며 인치 기판3 Si 250 10 min , 4℃

의 경우도 까지 도달하는데 거의 같은 시간이 소모되었다 온도 제어 시스250 .℃

템에서 설정온도를 로 하였을 경우 인치 기판의 경우 약 의200 3 200.8 ± 3℃ ℃

값을 나타내었으며 인치 기판의 경우는 약 의 값을 나타냄으로써, 4 192.6 ± 4.3℃

기판 크기에 따라 설정 값과 오차를 가지며 기판이 작을수록 온도의 설정 값과 잘

맞는 다는 것을 확인하였다.

- 39 -

다음으로 기판 종류에 따른 온도 특성에 관하여 관찰하였다 인치 두께를. 3 2 mm

갖는 유리 기판을 측정을 위해 이용하였으며 기판은 인치 두께를 갖, Si 3 0.5 mm

는 것을 이용하였다 측정 조건은 히터는 적외선램프 히터를 이용하였으며 온도 측. ,

정은 열전대를 이용하였다 지그 회전 속는 와 기Chromel-Alumel (CA) . glass Si

판이 으로 조정하였으며 진공도는 각각20 rpm , 2x10-6

과torr 3x10-6

이었torr

다 가열시간은 유리 기판의 경우 분이었으며 기판의 경우는 분이었다 그림. 10 , Si 5 .

과 에 기판 종류에 따른 온도 특성을 나타내었다13 14 .

그림 기판의 온도 특성그림 기판의 온도 특성그림 기판의 온도 특성그림 기판의 온도 특성13 glass13 glass13 glass13 glass

그림 실리콘 기판의 온도 특성그림 실리콘 기판의 온도 특성그림 실리콘 기판의 온도 특성그림 실리콘 기판의 온도 특성14141414

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그림 에 보이는 것과 같이 유리 기판의 경우 각각 설정온도이13 140, 190, 250 ℃

었을 경우 측정온도는 로 두 온도 간에 편차가 각각154, 199, 154 14, 9, 4℃ ℃

로 온도가 증가할수록 설정 값과 유사해 졌다 실리콘 기판의 경우는 각각. 150,

의 설정 온도에 대해 로 측정되었으며 편차는200, 250 157, 207, 260 7, 7,℃ ℃

로 평균 약 도 정도의 온도 편차를 가졌다10 8 .℃ ℃

금속 박막의 균일성 측정금속 박막의 균일성 측정금속 박막의 균일성 측정금속 박막의 균일성 측정3.23.23.23.2

와 의 증착조건에 따른 균일성에 관한 평가 실험을 수행하였다 균일성 평가Ti Au .

는 기판에 박막 증착 후 공정을 통해 패터닝 한 후 금속을Si photo-lithography

식각하여 각 를 을 이용하여 측정하였으며 기판간의 균일성 평가는5 point a-step ,

한 배치에서 서로 다른 지그의 위치에서 증착된 기판의 중앙을 위와 같은 방법으로

준비하여 을 이용하여 측정 비교하였다 기판의 측정 는 그림a-step 1 point . point

에 나타내었다15 .

그림 금속 박막의 균일성 평가를 위한 측정그림 금속 박막의 균일성 평가를 위한 측정그림 금속 박막의 균일성 평가를 위한 측정그림 금속 박막의 균일성 평가를 위한 측정15 point15 point15 point15 point

금속 박막의 경우 을 이용하여 상온에서 기판에 약Ti E-gun 3, 4 inch Si

의 평균 속도로 증착하였다 자전과 공전이 동시에 진행되는0.25nm/sec . satellite

지그를 사용하였으며 평균 회전속도는 이었다 기판의 균일성은, 20 rpm . 110 nm

이었으며 기판과 기판간의 균일성은 이였다 측정된± 2.5 % , 110 nm ± 2.0 % .

값을 이용한 균일성은 아래의 식을 이용하여 구하였다.

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박막의 두께를 이상으로 두껍게 올렸을 경우 박막의 균일성 평가를 수Ti 200 nm

행하였다 증착 조건은 인치 기판에 위와 같은 조건으로 증착하였다. 4 Si .

그림 기판 로 부터의 박막 균일성그림 기판 로 부터의 박막 균일성그림 기판 로 부터의 박막 균일성그림 기판 로 부터의 박막 균일성16 edge16 edge16 edge16 edge

표 인치 기판에서 지그를 회전 시켰을 때 금속 막의 균일성표 인치 기판에서 지그를 회전 시켰을 때 금속 막의 균일성표 인치 기판에서 지그를 회전 시켰을 때 금속 막의 균일성표 인치 기판에서 지그를 회전 시켰을 때 금속 막의 균일성3 Si 3 satellite3 Si 3 satellite3 Si 3 satellite3 Si 3 satellite

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표 인치 기판에서 지그를 회전 시켰을 때 금속 막의 균일성표 인치 기판에서 지그를 회전 시켰을 때 금속 막의 균일성표 인치 기판에서 지그를 회전 시켰을 때 금속 막의 균일성표 인치 기판에서 지그를 회전 시켰을 때 금속 막의 균일성4 Si 4 satellite4 Si 4 satellite4 Si 4 satellite4 Si 4 satellite

표 인치 기판에서 지그를 회전시키지 않을 때 금속 막의 균일성표 인치 기판에서 지그를 회전시키지 않을 때 금속 막의 균일성표 인치 기판에서 지그를 회전시키지 않을 때 금속 막의 균일성표 인치 기판에서 지그를 회전시키지 않을 때 금속 막의 균일성4 Si 4 satellite4 Si 4 satellite4 Si 4 satellite4 Si 4 satellite

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그림 에서와 같이 축의 경우 양쪽 보다 중앙이 약간 높았으며 축의16 x- edge y-

경우는 길이 방향으로 계속 증가하는 경향을 나타내었다 계산된 균일성은. 254 nm

이었다 표 에 지그를 회전 시켰을 경우와 회전을 시키지± 1.6 % . 3 - 5 satellite

않았을 경우 기판 크기에 따른 금속 박막의 균일성을 나타내었다.

산화물 박막에 미치는 이온빔 보조 효과3.3

산화물 박막의 증착을 위한 조건은 표 과 에 나타내었다 증착을 위한 초기 진3 4 .

공은 약 3.3x10-6

이며 표 에 나타낸 것과 같이torr , 3 SiO2 와 TiO2 박막을 상온과

부터 까지 간격으로 막을 증착 시켰다100 250 50 .℃ ℃ ℃

표 전자 빔 증착을 위한 실험 조건표 전자 빔 증착을 위한 실험 조건표 전자 빔 증착을 위한 실험 조건표 전자 빔 증착을 위한 실험 조건3333

표 보조 이온 빔을 이용한 증착 조건표 보조 이온 빔을 이용한 증착 조건표 보조 이온 빔을 이용한 증착 조건표 보조 이온 빔을 이용한 증착 조건4444

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보조 이온 빔을 이용한 막의 증착은 기본 진공도는 약 3.3x10-6

이며 가스의torr ,

주입에 인해 공정 진공도는 약 4x10-4

였다 사용된 가스는 과torr . Ar O2 이며 증,

착 속도는 박막의 두께는 모두 로 증착하였다 모든 경우 이온0.5 Å/sec, 100 nm .

빔의 는 는 로 고정하였다 증착된 두께cathode current 13 ~ 14 A, voltage 15.5 V .

의 확인은 기판에 증착 후 패턴 형성 및 식각하여 을 이용하여 확인하였다a-step .

3.3-1 SiO3.3-1 SiO3.3-1 SiO3.3-1 SiO2222 박막박막박막박막

박막구조박막구조박막구조박막구조3.3-1-13.3-1-13.3-1-13.3-1-1

다양한 조건 하에서 증착시킨 SiO2 박막의 선 회절분석한 결과를 그림 에 나X- ??

타내었다 측정 장치로는. X-ray diffractometer (XRD, M18XHF, Mac Science

를 사용하였다 측정은 파장이 인 선을 사용하였으며Co.) . X-ray 1.54056 Å Cu-Ka ,

모든 데이터의 측정조건으로는 step/scan mode, 40 kV; 300 mA, normal focus,

로 하여 측정 각 를 영역으로 하여step 0.02°, step time 15 s 2 10 ~ 70° X-rayθ

회절 피크를 기록하였다.

그림 는 기판 온도 변화에 따라 전자 빔을 사용하여 증착시킨17 (a) SiO2 박막의

회절패턴을 보여주고 있다. SiO2 막은 부근에서 가 보이며 상온에서는2 =33° peakθ

넓은 를 갖고 있어 비정질 막에 가깝다는 것을 나타내고 있다 일반적으로 결halo .

정에서 날카로운 이 보이는 것은 원자배열이 규칙적이기 때문에 결정 중에 일peak

정 간격의 원자 면이 생겨 그들 면에서 선의 회적이 일어나기 때문이다 원자배열X .

이 불규칙하면 어떤 간격을 갖고 존재하는 각종 원자대로 부터의 선 산란이 일어X

나 이것이 넓은 모양의 회절상을 나타낸다 기판의 온도가 증가 하면서 날카로운.

이 형성되는 것을 관찰 할 수 있는데 이것은 기판온도의 증가에 따라peak SiO2 막

이 비정질에서 결정질로 상의 전환이 일어나고 있음을 알 수 있다 또한 각 패턴은.

저각 측에 큰 산란이 일어나는 소각산란이 관찰되는데 이것은 원자배열과는 관계없

이 수십 이상의 불균일한 구조가 있고 그 밀도가 다르기 때문에 일어나는 현상으Å

로 보인다.

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그림 전자 빔 및 보조 이온 빔을 이용한그림 전자 빔 및 보조 이온 빔을 이용한그림 전자 빔 및 보조 이온 빔을 이용한그림 전자 빔 및 보조 이온 빔을 이용한17 SiO17 SiO17 SiO17 SiO2222 박막의 패턴박막의 패턴박막의 패턴박막의 패턴XRDXRDXRDXRD

그림 는 기판 온도 변화에 따라 전자 빔을 사용하여 종착시킨17 (a) SiO2 박막의

회절패턴을 보여주고 있다. SiO2 막은 부근에서 가 보이며 상온에서는2 =33° peakθ

넓은 를 갖고 있어 비정질 막에 가깝다는 것을 나타내고 있다 일반적으로 결halo .

정에서 날카로운 이 보이는 것은 원자배열이 규칙적이기 때문에 결정 중에 일peak

정 간격의 원자 면이 생겨 그들 면에서 선의 회적이 일어나기 때문이다 원자배열X .

이 불규칙하면 어떤 간격을 갖고 존재하는 각종 원자대로 부터의 선 산란이 일어X

나 이것이 넓은 모양의 회절상을 나타낸다 기판의 온도가 증가 하면서 날카로운.

이 형성되는 것을 관찰 할 수 있는데 이것은 기판온도의 증가에 따라peak SiO2 막

이 비정질에서 결정질로 상의 전환이 일어나고 있음을 알 수 있다 또한 각 패턴은.

저각 측에 큰 산란이 일어나는 소각산란이 관찰되는데 이것은 원자배열과는 관계없

이 수십 이상의 불균일한 구조가 있고 그 밀도가 다르기 때문에 일어나는 현상으Å

로 보인다.

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그림 는 보조 이온 빔을 이용한17 (b) SiO2 박막의 선 패턴을 보여주고 있다 주X .

입 가스 Ar/[Ar+O2 및 음극전류의 값을 부터 까지 변화를 준]=1 0.1 0.3 A SiO2 막

의 경우 과 음극전류를 인가한 박막에서0.1 0.2 A FWHM (full width half

이 매우 적은 값을 갖는 을 나타났으나 음극전류를 인가한maximum) peak , 0.2 A

것보다 의 전류를 인가한 패턴이 더욱 작은 값을 나타냈다 음극전류를0.1 A . 0.3 A

인가한 경우 상온에서 전자 빔만을 이용해 증착한 막과 거의 비슷한 선 패턴을 나X

타내고 있는데 이는 주입 되는 가스와 음극 전류간의 불균일성으로 인해 생성된,

이온의 밀도가 상대적으로 적음에 기인하는 것으로 보여진다 주입 가스.

Ar/[Ar+O2 및 음극전류 의 조건에서 형성된]=0.9 0.1 A SiO2 막의 경우 결정성이

떨어지는 것으로 나타나는데 이는 산소의 유입에 의해 구조의 변화를 야기 시켰기

때문이라고 생각되어진다.

그림 과 에 전자 빔 과 보조 이온 빔으로 증착된18 19 SiO2 박막들의 SEM

사진을 나타내었다(scanning electron microscope) .

그림 보조 이온빔을 이용하여 증착된그림 보조 이온빔을 이용하여 증착된그림 보조 이온빔을 이용하여 증착된그림 보조 이온빔을 이용하여 증착된18 SiO18 SiO18 SiO18 SiO2222 막의 사진막의 사진막의 사진막의 사진SEMSEMSEMSEM

(a) Ar/[Ar+O(a) Ar/[Ar+O(a) Ar/[Ar+O(a) Ar/[Ar+O2222]=1, A.]=1, A.]=1, A.]=1, A.CCCC=0.1, (b) Ar/[Ar+O=0.1, (b) Ar/[Ar+O=0.1, (b) Ar/[Ar+O=0.1, (b) Ar/[Ar+O2222]=1, A.]=1, A.]=1, A.]=1, A.CCCC=0.2=0.2=0.2=0.2

(c) Ar/[Ar+O(c) Ar/[Ar+O(c) Ar/[Ar+O(c) Ar/[Ar+O2222]=1, A.]=1, A.]=1, A.]=1, A.CCCC=0.3, (d) Ar/[Ar+O=0.3, (d) Ar/[Ar+O=0.3, (d) Ar/[Ar+O=0.3, (d) Ar/[Ar+O2222]=0.9, A.]=0.9, A.]=0.9, A.]=0.9, A.CCCC=0.1=0.1=0.1=0.1

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그림 전자 빔으로 증착 된그림 전자 빔으로 증착 된그림 전자 빔으로 증착 된그림 전자 빔으로 증착 된19 SiO19 SiO19 SiO19 SiO2222 막의 사진막의 사진막의 사진막의 사진SEMSEMSEMSEM

상 온상 온상 온상 온(a) , (b) 100 , (c) 150 , (d) 200 , (e) 250(a) , (b) 100 , (c) 150 , (d) 200 , (e) 250(a) , (b) 100 , (c) 150 , (d) 200 , (e) 250(a) , (b) 100 , (c) 150 , (d) 200 , (e) 250℃ ℃ ℃ ℃℃ ℃ ℃ ℃℃ ℃ ℃ ℃℃ ℃ ℃ ℃

보조 빔 이온 장비를 이용하여 증착 한 경우 증착 박막 표면이 갈라지는 현상을 관

찰 할 수 있었으며 인가 전류의 증가 에 따라 이러한 현상이 증가함, (a b c)→ →

을 관찰 할 수 있었다 산소와 아르곤을 같이 주입하여 의 전류를 인가하여 증. 0.1A

착한 경우 아르곤만을 주입하여 의 전류를 인가하여 증착 된 박막과 유사한 표0.3A

면의 관찰 할 수 있었으며 이러한 것은 박막이 증착 과정에서 너무 과도한 이온들,

에 의한 충돌로 발생되는 것으로 생각되어진다.

전자 빔 만으로 증착된 박막의 경우 상온과 의 기판온도 조건의 경우 표면에100℃

돌기 형상이 분포되어 있는 것이 관찰되었지만 이상의 조건하에서는 상당히150℃

매끄러운 형상을 가짐을 확인 하였다.

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미세조직미세조직미세조직미세조직3.3-1-23.3-1-23.3-1-23.3-1-2

그림 에 보조 이온 빔을 이용한20 SiO2 막의 결AFM (Atomic Force Microscopy)

과를 나타내었다 보조 이온 빔을 이용하여 음극 전류를 까지 변화를. 0.1 ~ 0.3 A

주어 증착 된 막의 표면 거칠기 는 과 의 조건에서 성장된 막(RMS [Rq]) 0.1 0.3 A

이 각각 와 로 와1.874 1.843 nm 0.2 A Ar/[Ar+O2 의 조건에서 성장]=0.9, 0.1 A

된 막의 표면 거칠기인 과 보다 거친 표면을 갖는 것을 확인하였1.060 1.107 nm

다 보조 이온 빔을 이용할 경우 만을 주입하여 음극전류 의 조건 하에서. Ar 0.2 A

증착된 SiO2 막이 가장 매끄러운 표면을 나타냄을 확인하였다.

그림 에 온도를 변수로 하여 전자 빔만으로 증착된21 SiO2 막의 결과를 나타AFM

내었다.

그림 보조 이온 빔을 이용한그림 보조 이온 빔을 이용한그림 보조 이온 빔을 이용한그림 보조 이온 빔을 이용한20 SiO20 SiO20 SiO20 SiO2222 막의 분석 결과막의 분석 결과막의 분석 결과막의 분석 결과AFMAFMAFMAFM

(a) Ar/[Ar+O(a) Ar/[Ar+O(a) Ar/[Ar+O(a) Ar/[Ar+O2222] = 1, A.] = 1, A.] = 1, A.] = 1, A.CCCC = 0.1, Rms [R= 0.1, Rms [R= 0.1, Rms [R= 0.1, Rms [Rqqqq] = 1.874 nm] = 1.874 nm] = 1.874 nm] = 1.874 nm

(b) Ar/[Ar+O(b) Ar/[Ar+O(b) Ar/[Ar+O(b) Ar/[Ar+O2222] = 1, A.] = 1, A.] = 1, A.] = 1, A.CCCC = 0.2, Rms [R= 0.2, Rms [R= 0.2, Rms [R= 0.2, Rms [Rqqqq] = 1.060 nm] = 1.060 nm] = 1.060 nm] = 1.060 nm

(c) Ar/[Ar+O(c) Ar/[Ar+O(c) Ar/[Ar+O(c) Ar/[Ar+O2222] = 1, A.] = 1, A.] = 1, A.] = 1, A.CCCC = 0.3, Rms [R= 0.3, Rms [R= 0.3, Rms [R= 0.3, Rms [Rqqqq] = 1.843 nm] = 1.843 nm] = 1.843 nm] = 1.843 nm

(d) Ar/[Ar+O(d) Ar/[Ar+O(d) Ar/[Ar+O(d) Ar/[Ar+O2222] = 0.9, A.] = 0.9, A.] = 0.9, A.] = 0.9, A.CCCC = 0.1, Rms [R= 0.1, Rms [R= 0.1, Rms [R= 0.1, Rms [Rqqqq] = 1.107 nm] = 1.107 nm] = 1.107 nm] = 1.107 nm

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그림 전자 빔을 이용한그림 전자 빔을 이용한그림 전자 빔을 이용한그림 전자 빔을 이용한21 SiO21 SiO21 SiO21 SiO2222 막의 분석 결과막의 분석 결과막의 분석 결과막의 분석 결과AFMAFMAFMAFM

상온상온상온상온(a) , Rms [R(a) , Rms [R(a) , Rms [R(a) , Rms [Rqqqq] = 2.837 nm, (b) 100 , Rms [R] = 2.837 nm, (b) 100 , Rms [R] = 2.837 nm, (b) 100 , Rms [R] = 2.837 nm, (b) 100 , Rms [Rqqqq] = 0.1876 nm] = 0.1876 nm] = 0.1876 nm] = 0.1876 nm℃℃℃℃

(c) 150 , Rms [R(c) 150 , Rms [R(c) 150 , Rms [R(c) 150 , Rms [Rqqqq] = 0.2719 nm, (d) 200 / Rms [R] = 0.2719 nm, (d) 200 / Rms [R] = 0.2719 nm, (d) 200 / Rms [R] = 0.2719 nm, (d) 200 / Rms [Rqqqq] = 0.1625 nm] = 0.1625 nm] = 0.1625 nm] = 0.1625 nm℃ ℃℃ ℃℃ ℃℃ ℃

(e) 250 , Rms [R(e) 250 , Rms [R(e) 250 , Rms [R(e) 250 , Rms [Rqqqq] = 0.1871 nm] = 0.1871 nm] = 0.1871 nm] = 0.1871 nm℃℃℃℃

기판 온도를 상온에서부터 까지 변화를 주어250 SiO℃ 2 막을 증착한 결과 온도가

증가할수록 대체적으로 표면 거칠기가 개선되는 것을 확인 할 수 있었다 상온에서.

의 표면 거칠기 는 가장 큰 값인 를 나타냈으며 의(RMS [Rq]) 2.837 nm , 200 ℃

조건에서 증착된 막의 경우는 의 가장 작은 값을 나타내었다0.1625 nm .

- 50 -

분광특성분광특성분광특성분광특성3.3-1-33.3-1-33.3-1-33.3-1-3

그림 는 보조 이온빔에 의해 성장한22 SiO2 박막과 전자 빔 증착에 의해서 성장한

SiO2 박막들의 의 파장에서 에 의해 측정된 굴절률을 보여주632.8 nm ellipsometer

고 있다.

그림 전자 빔 과 보조 이온 빔을 이용한그림 전자 빔 과 보조 이온 빔을 이용한그림 전자 빔 과 보조 이온 빔을 이용한그림 전자 빔 과 보조 이온 빔을 이용한22 SiO22 SiO22 SiO22 SiO2222 박막의박막의박막의박막의 굴굴굴굴절절절절률 변률 변률 변률 변화화화화

그림 에서와 같이 기판 온도 변화에 따른22 (a) SiO2 막의 굴절률 변화는 상온과

부터 까지는 사이의 거의 같은 분포를 나타내었으며100 200 1.44 ~ 1.48 , 200℃ ℃

의 기판온도에서 증착된 막의 굴절률은 사이의 분포를 나타~ 250 1.46 ~ 1.50℃

내었다.

- 51 -

그러나 의 조건에서 막을 성장시킨 굴절률이 의 조건에 비해서250 200 500 ~℃ ℃

의 구간에서는 더 적은 값을 나타내었다 따라서1000 nm . SiO2 박막의 전자 빔 증

착의 경우 기판 온도의 증가에 따라 굴절률이 증가함을 알 수 있었으며 특히, 15

의 온도를 기점으로 급격히 증가하는 것을 알 수 있었다0 .℃

보조 이온 빔을 이용하여 가스의 유량비와 전류의 변화에 따른 결과는 그림 22 (b)

에 보이는 것과 같이 가스 비율 Ar/[Ar+O2 가 이고 음극전류를 로] 1 0.1 ~ 0.3 A

증가 시켰을 경우 의 조건에서는 의 조건에서는0.1 A 1.36 ~ 1.46, 0.2 A 1.34 ~

의 조건에서는 사이의 분포를 타나내었다 굴절률의 분포1.44, 0.3 A 1.35 ~ 1.44 .

가 보다 에서 약간 높게 나타나는 것은 가스와의 반응에 의해 형성된 이0.3 0.2 A

온의 밀도가 많은 차이가 나지 않아 기판에 충돌하는 이온의 영향이 비슷하기 때문

이라고 생각되어진다. Ar/[Ar+O2 가 이고 음극전류를 의 조건에서 성장된] 0.9 0.1

SiO2의 경우 굴절률의 분포가 앞서와 다른 경향을 나타내었다 아르곤 가스만을 이.

용했을 경우 짧은 파장 대에서 장파장대로 이동하면서 굴절률이 감소하는 경향을

나타내었으나 이 경우는 굴절률이 감소하다 장파장대로 이동하면서 다시 증가하는

경향을 나타내었다 의 파장 대에서 약 의 값을 나타냈으며. 400 ~ 650 nm 1.35

이상의 파장에서는 굴절률이 서서히 증가하여 에서는 의 값650 nm 1200 nm 1.37

을 나타내었다 이러한 원인은. O2의 주입에 의해 앞서와 다른 구조 및 조성의 SiO2

막이 형성되어졌기 때문이라고 생각되어진다 결론적으로 이온 보조 빔을 이용할.

경우 전자 빔만을 이용하여 형성된 SiO2 막에 비해 전체적으로 약 정도 낮은0.1

굴절률 분포를 갖는 막이 형성됨을 확인하였다.

그림 에 보이는 것과 같이 성장조건에 관계없이 모든23 (a) SiO2 박막들의 반사율

은 값은 값을 보여주며 이는 이들 박막들로부터 조건과 관계없이 산란과 흡수에,

의한 광학적 손실이 없음을 나타낸다 그림 는 보조 이온 빔으로 증착된 막. 23 (b)

의 흡수 스펙트럼을 보여주고 있는데 일반적으로 박막과 기판의 흡수 스펙트럼 사,

이의 편차는 박막의 균일성을 반영해준다 즉 균일한 박막의 경우 박막반사율의 최. ,

소치는 기판반사율과 정확히 일치할 것이며 불 균일의 정도가 클수록 박막 반사율

의 최소치와 기판반사율 사이의 편차는 더욱 증가할 것이다 따라서 이온 보조 빔.

을 이용하여 증착된 막은 이온 빔 조건에 따라 박막의 균일성에 영향을 미침을 알

수 있었다.

- 52 -

그림 전자 빔 과 보조 이온빔을 이용한그림 전자 빔 과 보조 이온빔을 이용한그림 전자 빔 과 보조 이온빔을 이용한그림 전자 빔 과 보조 이온빔을 이용한23 SiO23 SiO23 SiO23 SiO2222 막의막의막의막의

스스스스펙펙펙펙트트트트럼럼럼럼 측정 결과측정 결과측정 결과측정 결과UUUUV/Vis/V/Vis/V/Vis/V/Vis/NNNNIRIRIRIR

- 53 -

조성분석조성분석조성분석조성분석3.3-1-43.3-1-43.3-1-43.3-1-4

전자 빔 및 보조 이온 빔을 이용해 SiO2 를 형성한 후 분석에 의하여 막의FT-IR

결합상태를 조사하였다 사용된 장비는. FT-IR Nicolet Magna-IR 760

이며 측정조건으로는spectrometer , resolution 4 cm-1, scan number 64, scan

range 4000 ~ 500 cm-1로 하였다.

그림 전자 빔 과 보조 이온 빔을 이용한그림 전자 빔 과 보조 이온 빔을 이용한그림 전자 빔 과 보조 이온 빔을 이용한그림 전자 빔 과 보조 이온 빔을 이용한24 SiO24 SiO24 SiO24 SiO2222 막의 분석막의 분석막의 분석막의 분석FT-IRFT-IRFT-IRFT-IR

- 54 -

그림 에 전자 빔 및 보조 이온 빔을 이용하여 증착된24 SiO2 박막의 흡수FT-IR

스펙트럼을 나타내었다 그림 의 경우 다양한 기판온도에서 전자 빔으로 증. 24 (a)

착된 막으로써 흡수 이peak wave number 1000 cm-1부근에서 SiO2 의 특성

이 검출되는 것으로 보아 증착된 막이 순수한peak SiO2 임을 알 수 있었다 온도의.

증가에 따라 흡수율이 감소하고 있는 것을 보여주고 있는데 산화 막의 흡수율 감,

소는 산란 및 투과의 증가를 뜻하며 이는 기판 온도 증가에 따른 굴절율의 변화, ,

계면의 의 감소 증착 시 계면에서의 등의 영dangling bond , impurity redistribution

향에 의한 반사율의 감소로 생각할 수 있다.

일반적으로 기판에Si SiO2를 증착했을 경우 SiO2 쪽에는 많은 의Si dangling

가 존재하게 되며 이러한 에 의해 계면은 한 계면효과를bond , dangling bond rough

가지게 됨으로 한 계면에 비해 상대적으로 높은 반사율을 가지게 된다 만약flat .

Si/SiO2 계면이 산화막내에서 된 산소의 확산과 와의 반응에trap Si dangling bond

의해 가 증진된다면 계면의 반사율은 감소하고 투과율은 증가하는 요인이flatness

될 수 있다 하지만 측정 샘플은 기판위에 증착된. , FT-IR glass SiO2에 대해 측정

을 수행하였으므로 기판 온도에 따라 흡수율이 감소하는 것은 에, dangling bond

의한 계면 영향이라기보다는 그림 에 나타난 것과 같이 막의 치밀화 및 결정22 (a)

화에 따른 굴절률 차이에 의한 원인이라고 보인다.

그림 에 보조 이온 빔을 이용하여 증착된24 (b) SiO2 막의 분석 결과를 나FT-IR

타내었다. SiO2의 주요 을 살펴보면 는peak Si-O asymmetric streching band

1110.81 ~ 1108.88 cm-1

는, Si-O symmetric streching band 815.75 ~ 813.82

cm-1, 는Si-O rocking motion band 474.41 ~ 472.48 cm

-1에 위치하고 있으며,

SiO2 막의 형성 방법 및 조건이 달라진다면 가상온도 가 달라(fictive temperature)

져 밀도와 결합의 평균 각도가 틀려져 의 위치가 약간 틀려질 수 있Si-O-Si peak

다.

보조 이온 빔을 이용할 경우 SiO2의 가 모두 나타나고 있으며 특히FT-IR band ,

의 의 강도가 강하게 나타나는데 이는 보조 이온Si-O rocking motion band peak ,

빔에 의해 기판위에 박막 성장 과정에서 이온의 충돌에 의해 밀도가 증가하며 와Si

의 결합에 영향을 미치기 때문이라고 생각되어진다 또한 의 위치가 조금 다O . peak

른 값을 나타내는데 이것은 위에 언급한 것과 같이 막의 밀도와 결합의Si-O-Si

평균 각도가 틀려졌기 때문으로 보인다.

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그리고 보조 이온빔에 의한 흡수율의 변화를 관찰 할 수 있었으며 이는 산화 막의,

굴절률 변화에서 기인한다고 보인다.

3.3-2 TiO3.3-2 TiO3.3-2 TiO3.3-2 TiO2222 박막박막박막박막

박막구조박막구조박막구조박막구조3.3-2-13.3-2-13.3-2-13.3-2-1

그림 와 에 다양한 조건에서 증착된25 26 TiO2 박막들의 SEM(Scanning Electron

표면사진들의 관측결과를 나타내었다 그럼 에 보이는 것과 같이Microscope) . 25

부터 의 기판온도 조건에서 전자 빔만을 이용하여 증착된100 250 TiO℃ ℃ 2 막의

경우 모두 매끄러운 형상을 가짐을 알 수 있었다 보조 이온빔을 이용하여 전자 빔.

증착한 경우 그림 음극 전류 및 가스에 따라 다른 표면 형상이 관찰되었다( 26) .

Ar/[Ar+O2 의 가스 유량조건하에서 음극 전류를 로 인가하여] = 0.1 0.1, 0.2, 0.3 A

TiO2 막을 증착 할 경우 는 전자 빔만으로 증착된 막의 표면 형상과 거0.2, 0.3 A

의 같은 매끄러운 표면을 나타냈으나 를 인가한 경우는 표면에 미세한 균열, 0.1 A

이 관찰되었다.

그림 전자 빔으로 증착 된그림 전자 빔으로 증착 된그림 전자 빔으로 증착 된그림 전자 빔으로 증착 된25 TiO25 TiO25 TiO25 TiO2222 막의 사진막의 사진막의 사진막의 사진SEMSEMSEMSEM

(a) 100 , (b) 150 , (c) 200 , (d) 250(a) 100 , (b) 150 , (c) 200 , (d) 250(a) 100 , (b) 150 , (c) 200 , (d) 250(a) 100 , (b) 150 , (c) 200 , (d) 250℃ ℃ ℃ ℃℃ ℃ ℃ ℃℃ ℃ ℃ ℃℃ ℃ ℃ ℃

- 56 -

그림 보조 이온빔을 이용하여 증착된그림 보조 이온빔을 이용하여 증착된그림 보조 이온빔을 이용하여 증착된그림 보조 이온빔을 이용하여 증착된26 TiO26 TiO26 TiO26 TiO2222 막의 사진막의 사진막의 사진막의 사진SEMSEMSEMSEM

(a) Ar/[Ar+O(a) Ar/[Ar+O(a) Ar/[Ar+O(a) Ar/[Ar+O2222]=1, A.]=1, A.]=1, A.]=1, A.CCCC=0.1, (b) Ar/[Ar+O=0.1, (b) Ar/[Ar+O=0.1, (b) Ar/[Ar+O=0.1, (b) Ar/[Ar+O2222]=1, A.]=1, A.]=1, A.]=1, A.CCCC=0.2=0.2=0.2=0.2

(c) Ar/[Ar+O(c) Ar/[Ar+O(c) Ar/[Ar+O(c) Ar/[Ar+O2222]=1, A.]=1, A.]=1, A.]=1, A.CCCC=0.3, (d) Ar/[Ar+O=0.3, (d) Ar/[Ar+O=0.3, (d) Ar/[Ar+O=0.3, (d) Ar/[Ar+O2222]=0.9, A.]=0.9, A.]=0.9, A.]=0.9, A.CCCC=0.1=0.1=0.1=0.1

Ar/[Ar+O2 의 가스를 주입하고 음극전류 를 인가하여 증착된]=0.9 0.1 A TiO2 막의

경우도 미세한 균열을 나타내는 표면형상을 관찰 할 수 있었다 앞에서 보인 두가.

지 조건하에서 균열이 생긴 원인은 처음의 경우 막에 도달하는 이온에너지와의 관

계에서의 결과로 보이며 나머지 경우는, TiO2 막에 산소가 함유됨으로써 발생한 문

제라고 생각되어진다.

결과적으로 증착된 박막의 표면에 미세한 균열 등의 구조적 문제점 들이 발생할,

경우 막이 대기 중에 노출 되었을 때 수분 등이 막에 스며들어 전체적인 물성에 영

향을 미칠 수 있으므로 바람직하다고 생각되어지지 않는다 따라서 보조 이온 빔을.

이용한 막의 경우 가스의 유량과 음극 전류간의 최적 조건을 찾는 연구가 더욱 진

행되어 져야 할 것으로 생각되어진다.

- 57 -

미세조직미세조직미세조직미세조직3.3-2-23.3-2-23.3-2-23.3-2-2

그림 에 온도를 변수로 하여 전자 빔만으로 증착된27 TiO2 막의 AFM(Atomic

결과를 나타내었으며 그림 에는 다양한 조건 하에서 보조Force Microscopy) , 28

이온 빔을 이용한 TiO2 박막의 결과를 나타내었다.

그림 전자 빔을 이용한그림 전자 빔을 이용한그림 전자 빔을 이용한그림 전자 빔을 이용한27 TiO27 TiO27 TiO27 TiO2222 막의 분석 결과막의 분석 결과막의 분석 결과막의 분석 결과AFMAFMAFMAFM

상온상온상온상온(a) , Rms [R(a) , Rms [R(a) , Rms [R(a) , Rms [Rqqqq] = 0.1318 nm, (b) 100 , Rms [R] = 0.1318 nm, (b) 100 , Rms [R] = 0.1318 nm, (b) 100 , Rms [R] = 0.1318 nm, (b) 100 , Rms [Rqqqq] = 0.1463 nm] = 0.1463 nm] = 0.1463 nm] = 0.1463 nm℃℃℃℃

(c) 150 , Rms [R(c) 150 , Rms [R(c) 150 , Rms [R(c) 150 , Rms [Rqqqq] = 0.1424 nm, (d) 200 , Rms [R] = 0.1424 nm, (d) 200 , Rms [R] = 0.1424 nm, (d) 200 , Rms [R] = 0.1424 nm, (d) 200 , Rms [Rqqqq] = 0.1679 nm] = 0.1679 nm] = 0.1679 nm] = 0.1679 nm℃ ℃℃ ℃℃ ℃℃ ℃

(e) 250 , Rms [R(e) 250 , Rms [R(e) 250 , Rms [R(e) 250 , Rms [Rqqqq] = 0.2054 nm] = 0.2054 nm] = 0.2054 nm] = 0.2054 nm℃℃℃℃

- 58 -

그림 보조 이온 빔을 이용한그림 보조 이온 빔을 이용한그림 보조 이온 빔을 이용한그림 보조 이온 빔을 이용한28 TiO28 TiO28 TiO28 TiO2222 막의 분석 결과막의 분석 결과막의 분석 결과막의 분석 결과AFMAFMAFMAFM

(a) Ar/tAr+O(a) Ar/tAr+O(a) Ar/tAr+O(a) Ar/tAr+O2222] = 1, A.] = 1, A.] = 1, A.] = 1, A.CCCC = 0.1, Rms [R= 0.1, Rms [R= 0.1, Rms [R= 0.1, Rms [Rqqqq] = 0.6118 nm] = 0.6118 nm] = 0.6118 nm] = 0.6118 nm

(b) Ar/tAr+O(b) Ar/tAr+O(b) Ar/tAr+O(b) Ar/tAr+O2222] = 1, A.] = 1, A.] = 1, A.] = 1, A.CCCC = 0.2, Rms [R= 0.2, Rms [R= 0.2, Rms [R= 0.2, Rms [Rqqqq] = 0.2711 nm] = 0.2711 nm] = 0.2711 nm] = 0.2711 nm

(c) Ar/[Ar+O(c) Ar/[Ar+O(c) Ar/[Ar+O(c) Ar/[Ar+O2222] = 1, A.] = 1, A.] = 1, A.] = 1, A.CCCC = 0.3, Rms [R= 0.3, Rms [R= 0.3, Rms [R= 0.3, Rms [Rqqqq] = 0.4567 nm] = 0.4567 nm] = 0.4567 nm] = 0.4567 nm

(d) Ar/[Ar+O(d) Ar/[Ar+O(d) Ar/[Ar+O(d) Ar/[Ar+O2222] = 0.9, A.] = 0.9, A.] = 0.9, A.] = 0.9, A.CCCC = 0.1, Rms [R= 0.1, Rms [R= 0.1, Rms [R= 0.1, Rms [Rqqqq] = 0.4197 nm] = 0.4197 nm] = 0.4197 nm] = 0.4197 nm

기판 온도를 상온에서부터 까지 변화를 주어 증착한 박막의 경우 온도가250 ℃

증가할수록 표면 거칠기 는 약간씩 증가되는 경향을 나타내었으며 상온(RMS [Rq]) ,

증착된 막이 로 가장 낮았으며 조건에서 증착된 막의 경우0.1318 250 0.2054℃

로 가장 높은 간을 나타내었다nm .

보조 이온 빔을 이용하여 음극 전류를 까지 변화를 주어 증착된 막의0.1 ~ 0.3 A

경우 의 유량에서 를 인가한 경우 로 가장 낮은 값을Ar 100 sccm 0.2 A 0.2711 nm

나타내었으며 같은 가스 조건 하에서 를 인가할 경우 의 상대적으, 0.1 A 0.6118 nm

로 표면이 거친 것을 확인 할 수 있었다 하지만. Ar+O2의 조건에서는 가스만 반Ar

응 시킨 것보다 같은 전류 값에서 표면의 거칠기가 개선 되어진 것을 확인 할 수

있었다.

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분광특성분광특성분광특성분광특성3.3-2-33.3-2-33.3-2-33.3-2-3

그림 에 다양한 증착조건 하에서 전자 빔 과 보조 이온 빔을 사용하여 성장한29

TiO2 박막들의 에 의해 측정된 굴절률의 변화를 나타내었으며ellipsometer , 200 ~

의 파장 범위에 대한 굴절률 변화를 측정하였다1200 nm .

그림 전자 빔 과 보조 이온 빔을 이용한그림 전자 빔 과 보조 이온 빔을 이용한그림 전자 빔 과 보조 이온 빔을 이용한그림 전자 빔 과 보조 이온 빔을 이용한29 TiO29 TiO29 TiO29 TiO2222 박막의박막의박막의박막의 굴굴굴굴절절절절률 변률 변률 변률 변화화화화

그림 에 보이는 것과 같이 기판 온도 변화에 따른 전자 빔을 이용한29 (a) TiO2

막의 굴절률 값은 약 이었으며 값은 약 이었다max. 2.9 , min. 2.0 .

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기판온도의 증가에 따라 굴절률은 증가하는 경향을 나타내었으며 의 온도에, 150℃

서 증착시킨 박막의 경우 에서 약 을 나타냈으며 장파장 쪽으로 굴절률350 nm 2.7

이 감소하여 대에서는 약 을 나타내었다 의 온도에서는1200 nm 2.0 . 250 200℃

대에서 약 로 낮았으나 까지 굴절률이 약 로 급격히 상승한 후nm 1.75 350 nm 2.9

서서히 감소하여 에서는 약 을 나타내었다 상온과 조건에서 증1200 nm 2.1 . 200℃

착시킨 막의 경우 이후 굴절률의 분포가 와 의 조건에서 성장400 nm 150 250℃ ℃

시킨 막이 갖는 굴절률 분포의 중간 정도의 값을 보여주고 있다 전체적으로 온도.

가 증가 할수록 굴절률은 증가하는 경향을 나타내었으며 파장에서 가장, 350 nm

높은 값을 보인 후 서서히 장파장 쪽으로 이동하면서 굴절률이 감소하는 경향을 보

였다 보조 이온 빔을 이용하여 가스의 유량비와 전류의 변화에 따른 결과는 그림.

에 보이는 것과 같이29 (b) Ar/[Ar+O2 음극 전류를 인가한] = 1, 0.1, 0.2, 0.3 A

박막과 Ar/[Ar+O2 의 비율로 가스를 주입하면서 음극전류를 인가한] = 0.9 0.1 A

박막 간에 굴절률 분포가 전체 측정 파장에 걸쳐 크게 차이가 남을 알 수 있었다.

주입 가스 비율이 Ar/[Ar+O2 이고 음극 전류를 인가한 박막] = 1 , 0.1, 0.2, 0.3 A

의 경우 대에서는 굴절률이 정도로 모두 거의 같은 값을 나타냈으며350 nm 2.35

이후 음극전류 를 인가하여 형성된 막의 경우는 와 를 인400 nm 0.1 A 0.2 0.3 A

가한 것보다 굴절률 감소의 폭이 적어 에서 약 를 나타내었다 음극1200 nm 1.85 .

전류 와 의 경우는 에서 정도의 비슷한 값을 보이고 있으나0.2 0.3 1200 nm 1.75

범위에서는 를 인가한 박막이 정도 적은 값을 보였다 아400 ~ 900 nm 0.2 A 0.5 .

르곤만을 사용한 것과 아르곤 산소를 혼합한 가스를 사용하여 의 전류를 인, 0.1 A

가시켜 TiO2 막을 성장 시킨 경우 전체 파장영역에 대해 많은 굴절률 차이가 나타

났으며 이러한 원인으로는 아르곤을 이용한 이온 빔의 경우 산화 막 증착 시 박막,

의 조밀성 및 밀도에 많은 영향을 미치지만 산소를 같이 주입할 경우 막 조성의 변

화에서 기인하는 것을 보인다 전체적으로. TiO2 막의 경우 보조 이온빔을 이용하지

않고 기판 온도의 변화를 통해 더 높은 굴절률을 얻을 수 있었다.

그림 에 다양한 조건에서 증착된30 TiO2 막의 스펙트럼의 결과를 나타UV/Vis/NIR

내었다.

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전자 빔을 이용한 것과 보조 이온 빔을 같이 이용한 TiO2 모든 막의 경우 약 350

에서 흡수가 시작되었다 파장 대에서 막의 흡수율을 측정한nm . 100 ~ 2500 nm

결과 약 의 파장대역 이상에서 증착 조건에 따라500 nm TiO2 막간에 흡수율 차이

를 나타내었다 전자 빔을 이용한 막의 경우 기판 온도의 증가에 따라 흡수율이 증.

가되었으며 보조 이온 빔을 이용한 경우 음극 전류의 증가에 따라 막의 흡수율이,

증가되었다 산소를 같이 주입한 경우와 아르곤만을 주입하여 의 같은 전류를. 0.1 A

인가한 경우 산소를 주입하여 증착된 막의 흡수율이 더욱 크게 나타났다.

그림 전자 빔 과 보조 이온빔을 이용한그림 전자 빔 과 보조 이온빔을 이용한그림 전자 빔 과 보조 이온빔을 이용한그림 전자 빔 과 보조 이온빔을 이용한30 TiO30 TiO30 TiO30 TiO2222 막의막의막의막의

스스스스펙펙펙펙트트트트럼럼럼럼 측정결과측정결과측정결과측정결과UUUUV/Vis/V/Vis/V/Vis/V/Vis/NNNNIRIRIRIR

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표 기술 지원성과 요표 기술 지원성과 요표 기술 지원성과 요표 기술 지원성과 요약약약약표표표표1.1.1.1.

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제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행3333

기술지원 추진 일정기술지원 추진 일정기술지원 추진 일정기술지원 추진 일정1.1.1.1.

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수행 주체들의 담당업무 수행 정도 및 수행 방법수행 주체들의 담당업무 수행 정도 및 수행 방법수행 주체들의 담당업무 수행 정도 및 수행 방법수행 주체들의 담당업무 수행 정도 및 수행 방법2.2.2.2.

수행 주체인 전자부품연구원은 참여연구원 별로 총괄 실험 공정 측정 분석으로 업, / , /

무 분장되어 기술지원이 이루어졌다 기술 지원 전반에 대한 진행과 기술 교육은.

주로 수혜기업인 에이엠에스 방문을 통해 총괄 책임자가 담당하였으며 이외 실험, /

공정 측정 분석은 각 기술 담당연구원이 전자부품연구원에 파견된 수혜 기업의 기, /

술 담당자를 대상으로 기술 지원을 하고 지원된 기술을 다시 수혜 기업 내에서 다,

시 반복적하여 그 결과를 비교함으로서 기술 지원이 제대로 이루어지도록 하였다.

공정에 대한 노하우는 실험을 통해서 지원되었으며 이외의 경우 도면 실습도등을, ,

통해 서면으로 이루어졌다 측정 및 분석에 관한 기술은 이에 필요한 이론 교육까.

지 같이 지원되었으며 전자부품연구원에서 지원할 수 없는 분석 장비에 대한 지원,

은 분석 비를 전자부품연구원이 부담하는 형태로 이루어졌다.

결과적으로 기술 전문 분야별로 분업화된 기술 지원을 통해 수혜기업인 에이엠에스

는 보조 이온빔 장치를 이용한 전자 빔 증착장비의 에러 사항 해결 및 다양한 데이

터를 확보하게 됨으로써 계획하였던 목표를 원활하게 그리고 성공적으로 지원하였

다.

기자재 활용기자재 활용기자재 활용기자재 활용3.3.3.3.

기술 지원 기간 동안 전자부품연구원이 보유하고 있는 공정 장비를 수혜기업이 무

상으로 사용할 수 있도록 하였으며 장비 외에 계측 장비 분석 장비 또한 임의로, ,

사용할 수 있도록 하였다 기술 지원기간 동안 사용한 장비 목록은 다음 표 에 열. 2

거되어 있다.

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표 기술 지원을 통해 사용한 공정표 기술 지원을 통해 사용한 공정표 기술 지원을 통해 사용한 공정표 기술 지원을 통해 사용한 공정 계계계계측 분석 장비 목록측 분석 장비 목록측 분석 장비 목록측 분석 장비 목록2. / /2. / /2. / /2. / /

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제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

전자빔 증착 시스템은 반도체 디스플레이 등 다양한 산업에 쓰이고 있으며 플라즈,

마 또는 이온 빔 등을 추가로 장착하여 막의 특성을 향상 시키고자 하는 노력이 국

내 외에서 많이 진행되어지고 있으며 이와 관련된 기술은 매우 중요하다 전자부품· , .

연구원에서는 본 과제 기간 동안 전자부품연구원이 연구해 오면서 보유하고 있는

증착기술 과 분석기술을 통하여 수혜기업인 에이엠에스에 기술지원 하였다 그로.

말미암아 이전에 에이엠에스가 문제점으로 생각했으나 확인하지 못했던 부분을 체

계적으로 분석을 통해 확인해 봄으로써 이제는 전체적인 부분에서 구체적인 방법을

찾을 수 있는 계기가 되었으며 이는 문제해결의 부분에서 당면 문제만 바라보지 않

고 그 다음 문제를 바라보고 대처할 수 있는 접근 방법을 가질 수 있는 능력을 가

질 수 있게 해주었다 기본적인 증착 메커니즘 및 박막의 형성 원리에 대한 이해를.

통해 종전에 시스템 증착 원리 등의 이해가 적은 상태에서 경험에 의해 제작되던

것을 기술 지원 후 체계적으로 시스템 설계의 문제점을 분석하여 개선시킬 수 있는

요소를 찾아냈으며 다양한 증착 박막의 특성 데이터를 확보함으로써 장비 유저를,

대할 때 전문적인 대응 및 자체 제작 장비에 대한 자신감을 얻을 수 있었다 이러.

한 것들로 인해 전체적인 시스템 제작에 대한 넓은 시각을 가지고 설계를 할 수 있

었으며 이는 다른 유사 장비에도 발생 할 수 있는 문제점을 미리 예상하고 결과로

이어져 유사 장비제작에서 발생되는 문제점들도 해결할 수 있게 됨으로써 시간 및

제작 단가를 확연히 줄일 수 있게 되었으며 특히 구입자에 대한 신뢰를 얻을 수,

있게 되었다 또한 증착 시 기판의 온도 특성 금속 박막의 두께 균일성 산화물 박. , ,

막의 박막 특성 등의 다양한 데이터를 확보함으로써 시스템 판매에 있어 외국 장비

와 경쟁할 수 있는 기반을 마련한 것은 의미 있다고 할 수 있다 또한 지금까지 이.

루어진 전자 빔 증착 시스템에 대한 전반적인 기술 지원을 통하여 이를 참여 기업

이 계속적으로 개발하여 자생적으로 더욱 발전시킬 수 있는 기반을 제공한 것으로

여겨지며 나아가 기업의 경쟁력 강화 및 매출의 증대로 이어질 것으로 확신한다, .

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