전자총을 사용하여 증착한 보통(conventional) Nb$_2$O$_{5}$박막과 Ar이온빔 보조 증착(ion beam assisted deposition, IBAD)한 Nb$_2$O$_{5}$ 박막의 광학적, 물리적 특성을 조사하여 IBAD의 효과에 대해 연구하였다. IBAD Nb$_2$O$_{5}$ 박막과 보통 Nb$_2$O$_{5}$ 박막의 진공-공기간 반사 스펙트럼과 박막 단면의 SEM 측정 결고, IBAD Nb$_2$O$_{5}$ 박막은 보통 박막에 비해 조밀한 박막으로 증착되었으며, 분광 광도계를 이용하여 포락선 방법으로 구한 IBAD Nb$_2$O$_{5}$ 박막의 평균 굴절률은 보통 Nb$_2$O$_{5}$ 박막 보다 증가하고, 소멸계수는 감소하였다. 이는 IBAD에 의한 이온빔 충격으로 Nb$_2$O$_{5}$ 박막의 미세구조가 변화하여 조밀도가 증가하였기 때문으로 판단된다. 주입 산소 양이 증가함에 따라 IBAD Nb$_2$O$_{5}$ 박막과 보통 Nb$_2$O$_{5}$ 박막의 평균 굴절률과 소멸계수는 모두 감소하는 경향을 보였으며, IBAD Nb$_2$O$_{5}$ 박막은 이온빔 전류 밀도가 증가함에 따라 평균 굴절률이 증가하였다. 보통 Nb$_2$O$_{5}$ 박막과 IBAD Nb$_2$O$_{5}$ 박막은 모두 불균일 굴절률을 나타냈으며, IBAD Nb$_2$O$_{5}$ 박막은 이온빔 전류 밀도가 증가할수록 굴절률의 불균일도는 증가하였다. 증착된 Nb$_2$O$_{5}$ 박막은 XRD 측정 결과 모두 비정질이었으며, IBAD에 의해 박막의 결정 구조는 변하지 않았다.
전자총을 사용하여 증착한 보통(conventional) Nb$_2$O$_{5}$ 박막과 Ar 이온빔 보조 증착(ion beam assisted deposition, IBAD)한 Nb$_2$O$_{5}$ 박막의 광학적, 물리적 특성을 조사하여 IBAD의 효과에 대해 연구하였다. IBAD Nb$_2$O$_{5}$ 박막과 보통 Nb$_2$O$_{5}$ 박막의 진공-공기간 반사 스펙트럼과 박막 단면의 SEM 측정 결고, IBAD Nb$_2$O$_{5}$ 박막은 보통 박막에 비해 조밀한 박막으로 증착되었으며, 분광 광도계를 이용하여 포락선 방법으로 구한 IBAD Nb$_2$O$_{5}$ 박막의 평균 굴절률은 보통 Nb$_2$O$_{5}$ 박막 보다 증가하고, 소멸계수는 감소하였다. 이는 IBAD에 의한 이온빔 충격으로 Nb$_2$O$_{5}$ 박막의 미세구조가 변화하여 조밀도가 증가하였기 때문으로 판단된다. 주입 산소 양이 증가함에 따라 IBAD Nb$_2$O$_{5}$ 박막과 보통 Nb$_2$O$_{5}$ 박막의 평균 굴절률과 소멸계수는 모두 감소하는 경향을 보였으며, IBAD Nb$_2$O$_{5}$ 박막은 이온빔 전류 밀도가 증가함에 따라 평균 굴절률이 증가하였다. 보통 Nb$_2$O$_{5}$ 박막과 IBAD Nb$_2$O$_{5}$ 박막은 모두 불균일 굴절률을 나타냈으며, IBAD Nb$_2$O$_{5}$ 박막은 이온빔 전류 밀도가 증가할수록 굴절률의 불균일도는 증가하였다. 증착된 Nb$_2$O$_{5}$ 박막은 XRD 측정 결과 모두 비정질이었으며, IBAD에 의해 박막의 결정 구조는 변하지 않았다.
We studied the optical and structural properties of conventional and ion-beam-assisted-deposition (IBAD) Nb$_2$O$_{5}$ films which were evaporated by an electron beam gun. The vacuum-to-air spectral shift and the cross sectional SEM images of the Nb$_2$O$_{5}$<...
We studied the optical and structural properties of conventional and ion-beam-assisted-deposition (IBAD) Nb$_2$O$_{5}$ films which were evaporated by an electron beam gun. The vacuum-to-air spectral shift and the cross sectional SEM images of the Nb$_2$O$_{5}$ films were investigated. The results show that the IBAD Nb$_2$O$_{5}$ films have a higher packing density than the conventional Nb$_2$O$_{5}$ films. The average refractive index of IBAD Nb$_2$O$_{5}$ films was increased, while the extinction coefficient was decreased compared with the conventional films. As the oxygen flow was increased, the average refractive index and extinction coefficient of the conventional and IBAD films decreased. Both the conventional and IBAD Nb$_2$O$_{5}$ films showed inhomogeneity in refractive index, and the degree of inhomogeneity of the IBAD Nb$_2$O$_{5}$ films became larger as the ion current density was increased. All Nb$_2$O$_{5}$ films were found to be amorphous by x-ray diffraction (XRD) analysis, and hence the crystal structure of Nb$_2$O$_{5}$ films was not changed by IBAD.
We studied the optical and structural properties of conventional and ion-beam-assisted-deposition (IBAD) Nb$_2$O$_{5}$ films which were evaporated by an electron beam gun. The vacuum-to-air spectral shift and the cross sectional SEM images of the Nb$_2$O$_{5}$ films were investigated. The results show that the IBAD Nb$_2$O$_{5}$ films have a higher packing density than the conventional Nb$_2$O$_{5}$ films. The average refractive index of IBAD Nb$_2$O$_{5}$ films was increased, while the extinction coefficient was decreased compared with the conventional films. As the oxygen flow was increased, the average refractive index and extinction coefficient of the conventional and IBAD films decreased. Both the conventional and IBAD Nb$_2$O$_{5}$ films showed inhomogeneity in refractive index, and the degree of inhomogeneity of the IBAD Nb$_2$O$_{5}$ films became larger as the ion current density was increased. All Nb$_2$O$_{5}$ films were found to be amorphous by x-ray diffraction (XRD) analysis, and hence the crystal structure of Nb$_2$O$_{5}$ films was not changed by IBAD.
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문제 정의
!mu 이러한 Nb2O5 박막은 전자총 또는 스퍼터링 등의 방법으로 증착이 가능하다. 본 연구에서는 전자총을 이용하여 증착한 보통 Nb2O5 박믹과 IBAD Nb2O5 박막의 광학적, 물리적 특성을 비교하여 이온빔 보조 증착에 의한 효과를 조사하였다. 또한 이온빔 전류 밀도와 반응 산소의 양을 변화시키면서 증착 조건의 변화에 따른 IBAD Nb2O5 박막의 광학적 특성을 조사하였다.
제안 방법
증착된 Nb2O5 박막은 분광 광도계(Cary 500, VarianX 사용하여 기판과 박막의 반사율 및 투과율을 측정하고, 포락선 방법을 이용하여 박막의 굴절률과 소멸계수를 결정하였다. BK-7 유리는 포락선 방법을 이용한 광학상 수측정과 XRD를 이용한 박막의 결정성 분석에 사용하였으며, 실리콘 웨이퍼는 SEM 측정에 사용하였다.
박막을 증착하였으며, Ar 이온빔 보조 증착은 end-Hall 형 이온총을 이용하였다. IBAD Nb2O5 박막과 보통 Nb2O5 박막의 광학 상수와 진공-공기간 반사 스펙트럼, 박막 단면 의 SEM 측정 등으로부터 이온빔 보조 증착에 의한 박막의 내부 구조 변화와 광학 특성 변화를 조사하였다. 또한 이온빔 전류 밀도와 반응 산소의 양을 변화시키면서 증착 조건 변화에 따른 Nb2O5 박막의 광학적 특성 변화를 연구하였다.
증착한 박막은 주사 전자현미경 (SEM)을 사용하여 박막 단면을 조사하였다. IBAD 조건에 따른 박막의 광학적 특성을 조사하기 위하여 두 가지 방법으로 박막을 증착하였다. 방법 Ie 이온빔 전류 밀도를 250|lA/cm2로 일정하게 하고, 주입 산소의 양을 20-52.
박막을 증착, 비교하였다. 공기 중에 노출되었을 때 수분에 의한 영향을 조사하기 위해 진공-공기 중에서의 파장에 따른 반사 스펙트럼 변화를 관측하였다. 증착한 박막은 주사 전자현미경 (SEM)을 사용하여 박막 단면을 조사하였다.
IBAD Nb2O5 박막과 보통 Nb2O5 박막의 광학 상수와 진공-공기간 반사 스펙트럼, 박막 단면 의 SEM 측정 등으로부터 이온빔 보조 증착에 의한 박막의 내부 구조 변화와 광학 특성 변화를 조사하였다. 또한 이온빔 전류 밀도와 반응 산소의 양을 변화시키면서 증착 조건 변화에 따른 Nb2O5 박막의 광학적 특성 변화를 연구하였다.
본 연구에서는 전자총을 이용하여 증착한 보통 Nb2O5 박믹과 IBAD Nb2O5 박막의 광학적, 물리적 특성을 비교하여 이온빔 보조 증착에 의한 효과를 조사하였다. 또한 이온빔 전류 밀도와 반응 산소의 양을 변화시키면서 증착 조건의 변화에 따른 IBAD Nb2O5 박막의 광학적 특성을 조사하였다.
95%의 #를 전자총으로 증착하였으며, 할로겐 램프를 이용하여 기판의 온도를 20CTC로 유지하였다. 박막의 두께 및 증착률은 수정 진동자형 두께 측정기 (quartz crystal thickness monitor)를 사용하여 측정하였다. 챔버 중앙에 설치된 시료에서 반사된 빔의 세기를 단색화장치 (monochrometor)를 사용하여 파장별로 측정할 수 있도록 그림 1과 같이 광학적 두께 즉정기 (optical thickness monitor) 를 설치하였다.
본 연구에서는 IBAD하지 않은 보통 Nb2O5 박막과 IBAD Nb2O5 박막을 증착, 비교하였다. 공기 중에 노출되었을 때 수분에 의한 영향을 조사하기 위해 진공-공기 중에서의 파장에 따른 반사 스펙트럼 변화를 관측하였다.
수정 진동자의 두께와 증착률 그리고 광학적 두께는 LabVIEW 프로그램을 사용하여 실시간으로 측정할 수 있도록 구성하였다. 분위기 가스로는 산소를 주입하였으며, 질량 유량 조절기 (mass flow controller)를 사용하여 조절하였다. 이온빔 보조 증착에는 이온빔의 조사 영역이 넓고, 조작이 용이한 직경 6 cm의 end-Hall 이온총을 사용하였다.
기판으로는 BK-7 유리와 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 증착된 Nb2O5 박막은 분광 광도계(Cary 500, VarianX 사용하여 기판과 박막의 반사율 및 투과율을 측정하고, 포락선 방법을 이용하여 박막의 굴절률과 소멸계수를 결정하였다. BK-7 유리는 포락선 방법을 이용한 광학상 수측정과 XRD를 이용한 박막의 결정성 분석에 사용하였으며, 실리콘 웨이퍼는 SEM 측정에 사용하였다.
공기 중에 노출되었을 때 수분에 의한 영향을 조사하기 위해 진공-공기 중에서의 파장에 따른 반사 스펙트럼 변화를 관측하였다. 증착한 박막은 주사 전자현미경 (SEM)을 사용하여 박막 단면을 조사하였다. IBAD 조건에 따른 박막의 광학적 특성을 조사하기 위하여 두 가지 방법으로 박막을 증착하였다.
박막의 두께 및 증착률은 수정 진동자형 두께 측정기 (quartz crystal thickness monitor)를 사용하여 측정하였다. 챔버 중앙에 설치된 시료에서 반사된 빔의 세기를 단색화장치 (monochrometor)를 사용하여 파장별로 측정할 수 있도록 그림 1과 같이 광학적 두께 즉정기 (optical thickness monitor) 를 설치하였다. 수정 진동자의 두께와 증착률 그리고 광학적 두께는 LabVIEW 프로그램을 사용하여 실시간으로 측정할 수 있도록 구성하였다.
대상 데이터
이때, 양극 전압은 모두 80 V 로 일정하게 유지하였다. 기판으로는 BK-7 유리와 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 증착된 Nb2O5 박막은 분광 광도계(Cary 500, VarianX 사용하여 기판과 박막의 반사율 및 투과율을 측정하고, 포락선 방법을 이용하여 박막의 굴절률과 소멸계수를 결정하였다.
본 연구에서는 전자총을 사용하여 보통 Nb2O5 박막과 IBAD Nb2O5 박막을 증착하였으며, Ar 이온빔 보조 증착은 end-Hall 형 이온총을 이용하였다. IBAD Nb2O5 박막과 보통 Nb2O5 박막의 광학 상수와 진공-공기간 반사 스펙트럼, 박막 단면 의 SEM 측정 등으로부터 이온빔 보조 증착에 의한 박막의 내부 구조 변화와 광학 특성 변화를 조사하였다.
분위기 가스로는 산소를 주입하였으며, 질량 유량 조절기 (mass flow controller)를 사용하여 조절하였다. 이온빔 보조 증착에는 이온빔의 조사 영역이 넓고, 조작이 용이한 직경 6 cm의 end-Hall 이온총을 사용하였다. 이온빔 생성에 사용된 가스는 Ar을 이용하였으며, 20 seem을 일정하게 주입하였다.
저진공용 회전 펌프와 고진공용 cryo 펌프로 구성된 그림 1과 같은 구조의 진공 챔버를 사용하여 박막을 증착하였다. 크기 3~12mm, 순도 99.
데이터처리
챔버 중앙에 설치된 시료에서 반사된 빔의 세기를 단색화장치 (monochrometor)를 사용하여 파장별로 측정할 수 있도록 그림 1과 같이 광학적 두께 즉정기 (optical thickness monitor) 를 설치하였다. 수정 진동자의 두께와 증착률 그리고 광학적 두께는 LabVIEW 프로그램을 사용하여 실시간으로 측정할 수 있도록 구성하였다. 분위기 가스로는 산소를 주입하였으며, 질량 유량 조절기 (mass flow controller)를 사용하여 조절하였다.
성능/효과
또한 이러한 불균일도는 열처리를 통해 줄일 수 있음을 보였다. 따라서 굴절률의 불균일도를 제거하기 위해서는 증착 온도를 높히고, 양극 전압을 증가시켜 EPM을 크게 하면 이온빔 충격에 의해 증착 입자의 이동도가 증가하여 균일한 박막을 증착할 수 있을 것으로 판단된다.
즉 한 개의 원자와 충돌하는 이온의 수가 증가하게 된다. 따라서 이온빔 전류 밀도가 증가함에 따라 충돌하는 이온의 수가 증가하게 되고, 이온빔의 충격에 의한 효과가 증대되어 더욱 조밀한 박막이 형성되고 굴절률이 증가하는 것으로 판단된다.
0X10 거의 유사한 광학상수를 나타냈다. 따라서 전자총을 이용한 이온빔 보조 증착법을 통해서 이온빔 스퍼터링과 같은 높은 에너지로 증착한 Nb2O5 박막의 광학적 특성을 갖는 효과를 얻을 수 있었다. 보통 Nb2O5 박막과 IBAD Nb2O5 박막 모두 비정질로 이온빔 충격에 의해 결정 구조는 변화지 않았다.
6MeV/c 보다 큰 경우 굴절률의 불균일도가 음(-)에서 양(+)으로 변화함을 보였으며, Lee 등은 IBSD Nb2O5 박막을 증착하였을 때 양의 불균일 굴절률을 가짐을 보고하였다. 또한 이러한 불균일도는 열처리를 통해 줄일 수 있음을 보였다. 따라서 굴절률의 불균일도를 제거하기 위해서는 증착 온도를 높히고, 양극 전압을 증가시켜 EPM을 크게 하면 이온빔 충격에 의해 증착 입자의 이동도가 증가하여 균일한 박막을 증착할 수 있을 것으로 판단된다.
로 정의할 수 있다. 이온빔 보조 증착 하지 않은 박막은 양(#)의 불균일 굴절률 차를 보였으며, IBAD 박막은 모두 음의 불균일 굴절률차를 보였다. 보통 박막의 경우 기둥 미세구조에 의해 박막의 바깥쪽은 수분이 침투하여 굴절률이 증가하고 굴절률이 증가하여 양의 값을 가지는 것으로 판단된다.
이온빔 충격에 의한 박막의 결정 구조를 조사하기 위한 XRD 측정 결과 보통 Nb2O5 박막과 IBAD NbjQ 박막 모두 비정질이었으며, 이온빔 충격이 결정 구조 변화에 영향은 주지 않는 것으로 판단된다.
0X 1CT4으로 IBSD Nb2O5 박 막의 광학 상수와 거의 유사하였다. 즉 전자총을 이용한 이온빔 보조 증착법으로 이온빔 스퍼터링과 같이 높은 에너지로 증착한 Nb2O5 박막에 가까운 광학적 특성을 얻을 수 있었다.
이온빔 보조 증착 시 산소와의 반응이 촉진되어 IBAD Nb2O5 박막은 보통 Nb2O5 박막보다 소멸계수가 작은 박막을 증착할 수 있었다. 증착 입자의 에너지가 높은 이온빔 스퍼터링 방법으로 증착한 Nb2O5 박막이 633nm에서 굴절률이 2.33이고 소멸계수가 3.0><10인 것과 비교하여 볼 때 IBAD Nb2O5 박막은 550nm에서 굴절률이 2.3이고 소멸계수가 3.0X10 거의 유사한 광학상수를 나타냈다. 따라서 전자총을 이용한 이온빔 보조 증착법을 통해서 이온빔 스퍼터링과 같은 높은 에너지로 증착한 Nb2O5 박막의 광학적 특성을 갖는 효과를 얻을 수 있었다.
참고문헌 (7)
Richter, F, Kupfer, H, Schlott, P, Gessner, T, Kaufmann, C.
Optical properties and mechanical stress in SiO2/Nb2O5 multilayers.
Thin solid films,
vol.389,
no.1,
278-283.
KRISHNA, M. GHANASHYAM, BHATTACHARYA, A. K..
THICKNESS AND OXYGEN PRESSURE DEPENDENT OPTICAL PROPERTIES OF NIOBIUM OXIDE THIN FILMS.
International journal of modern physics. B, Condensed matter physics, statistical physics, applied physics,
vol.13,
no.4,
411-418.
Lee, Cheng-Chung; Hsu, Jin-Cherng etc. "Low loss niobium oxides film deposited by ion beam sputter deposition." Optical and quantum electronics, v.32 no.3 (2000), pp. 327-337, doi:10.1023/A:1007050204074.
Lee, Cheng-Chung, Hsu, Jin-Cherng, Wong, Daw-Heng.
The characteristics of some metallic oxides prepared in high vacuum by ion beam sputtering.
Applied surface science,
vol.171,
no.1,
151-156.
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