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문제 정의
- 본 연구에서는 각종 센서의 감지 물질 및 광학박막의 제작 물질로 바나듐 산화막을 활용하기 위한 기초 자료 조사를 목적으로 RF 스퍼터링 시스템으로 산소 분압비를 공정변수로 하여 바나듐 산화막을 제작하였고, 분광타원법을이용하여 박막의 광학적 구조를 분석하였다. 분광타원법으로 시료의 광학상수와 박막 두께 등을 구하기 위해서는 유전함수의 모델화 및 광학모형의 구축을 포함한 데이터 해석이 필요하다[7, 8], 위상변조방식의 분광타원계를 이용하여 타원상수를 측정하였고, 분산관계식을 적용하여 바나듐 산화막의 광학적 구조를 분석하고, SEM(Scanning Electron Microscope)과 XRD(X-ray Diffractrometer) 측정을 통하여 이를 보완하였다.
제안 방법
- 분광타원법으로 시료의 광학상수와 박막 두께 등을 구하기 위해서는 유전함수의 모델화 및 광학모형의 구축을 포함한 데이터 해석이 필요하다[7, 8], 위상변조방식의 분광타원계를 이용하여 타원상수를 측정하였고, 분산관계식을 적용하여 바나듐 산화막의 광학적 구조를 분석하고, SEM(Scanning Electron Microscope)과 XRD(X-ray Diffractrometer) 측정을 통하여 이를 보완하였다.
- 3W/cmz 의 RF 전력을 공급하여 플라즈마를 발생시켰다. 상온에서총 가스 유입량을 동일하게 한 상태에서 0%, 10% 산소 분압비로 1.5cmX1.5cm 크기의 바나듐 산화막을 제작하였다. 표 1에 시료의 제작조건을 나타내었다.
- 프로그램에서의 시료에 대한 광학적 구조 분석은 표면 거칠 기층의 경우 두께와 V2O5와 void의 구성비율을 분석변수로 지정하였고, 박막의 경우는 V2O5의 두께와 분산관계식의 변수들을 분석변수로 지정하였다.
- 본 연구에 사용된 분광타원계는 위상변조방식이고, 그구조는 그림 1과 같다. 위상변조방식의 타원계는 편광자나검광자의 방위각을 어떤 특정한 각도에 고정하고 위상변조기의 변조진동수와 관련된 빛의 세기를 측정하여 타원상수를 구하는 방식이다[8].
- 제작된 시료의 두께 및 표면의 결정상태를 알아보기 위해 주사전자현미경(Jeol, JSM6335F)을 이용하여 시료의 단면 및 표면을 측정하였다. 측정은 10kV의 복사로부터 50, 000배의 배율로 측정하였다.
- 제작된 시료들을 DA 분산관계식을 이용하여 최적 맞춤하였고, 그 결과를 표 2와 3에 나타내었다. 각 시료의 V2O5 층의 두께는 각각 499.
- 본 연구에서는 분광타원법을 이용하여 v205 박막의 성장특성을 알아보기 위해 RF 스퍼터링 시스템으로 0 %와 10 %의 산소 분압비로 시료를 제작하였다. 위상변조방식의분광타원계로 타원상수를 측정하였으며 , 분산관계식을 적용하여 타원상수를 분석하였다.
- 위상변조방식의분광타원계로 타원상수를 측정하였으며 , 분산관계식을 적용하여 타원상수를 분석하였다. 이를 통하여 시료의 광학적 구조를 알 수 있었고, SEM과 XRD의 측정으로 분석을보완하였다.
- 위상변조방식의분광타원계로 타원상수를 측정하였으며 , 분산관계식을 적용하여 타원상수를 분석하였다. 이를 통하여 시료의 광학적 구조를 알 수 있었고, SEM과 XRD의 측정으로 분석을보완하였다.
- 제작된 시료의 결정구조를 알아보기 위해 X-선 회절기 (DMAX 2000)를 사용하여 회절패턴을 분석하였으며, 회절패턴은 30kV, 60 mA, Cu Ka(1.5406 A) 복사로부터 얻었다.
대상 데이터
- 시료의 제작에 사용된 스퍼터링 장치는 DC/RF 마크 네트론 스퍼터링 시스템(Varian VKS35)으로 진공을 형성하고 유지시키는 진공 시스템과 타겟, RF 전원공급장치, 기판 홀더, 가스 주입장치, 온도조절장치로 구성되어 있다.
- 분광타원계를 이용하여 측정된 데이터는 상업용 분석 프로그램으로 널리 이용되고 있는 Jobin-Yvon사의 Delta Psi2를 사용하였다. 데이터 해석에는 시료의 유전함수가필요하다.
- 분석용 프로그램을 이용한 분석법은 크게 reference를 이용한 방법과 분산관계식을 이용하는 방법으로 나눌 수 있는데 본 연구에서는 분산관계식(Double Amorphous ; DA)을 이용하였다. 시료의 기판으로 사용된 단결정규소의 광학상수는 Jobin-Yvon사에서 제공한 값을 사용하였다.
이론/모형
- 유전함수 모델에는 많은 종류가 있고 시료에 따라 구분하여 사용해야 한다. 투명 영역의 유전함수 모델화에는 Sellmeir 모델이나 Cauchy 모델이 사용된다. 자유전자 흡수가 있는 경우에는 Drude 모델을 사용하여 해석한다.
- 투명 영역의 유전함수 모델화에는 Sellmeir 모델이나 Cauchy 모델이 사용된다. 자유전자 흡수가 있는 경우에는 Drude 모델을 사용하여 해석한다. 한편 자외/가시광 영역에 있어서의 전자 분극의 모델화에는 Tauc-Lorentz, Amorphous 모델 등이 사용된다[7-9].
- 그래서 반도체의 유전함수는 여러 개의 진동자(Oscillator)를포함하는 모델을 사용하며, 최적맞춤의 질을 높이기 위해진동자의 수를 늘리기도 한다. 본 연구에 사용된 Double Amorphous 모델은 Amorphous 모델에 진동자를 하나씩더 추가한 모델이며 이러한 모델은 비정질 반도체의 유전함수 분석에 유용하게 사용되고 있다⑼. 분석용 프로그램을 이용한 분석법은 크게 reference를 이용한 방법과 분산관계식을 이용하는 방법으로 나눌 수 있는데 본 연구에서는 분산관계식(Double Amorphous ; DA)을 이용하였다.
- 본 연구에 사용된 Double Amorphous 모델은 Amorphous 모델에 진동자를 하나씩더 추가한 모델이며 이러한 모델은 비정질 반도체의 유전함수 분석에 유용하게 사용되고 있다⑼. 분석용 프로그램을 이용한 분석법은 크게 reference를 이용한 방법과 분산관계식을 이용하는 방법으로 나눌 수 있는데 본 연구에서는 분산관계식(Double Amorphous ; DA)을 이용하였다. 시료의 기판으로 사용된 단결정규소의 광학상수는 Jobin-Yvon사에서 제공한 값을 사용하였다.
성능/효과
- 제작된 시료들을 DA 분산관계식을 이용하여 최적 맞춤하였고, 그 결과를 표 2와 3에 나타내었다. 각 시료의 V2O5 층의 두께는 각각 499.1 nm, 389.5 nm였으며, 표면 거칠 기층의 두께는 33.9 nm, 12.9 nm였고, 표면거칠기층에서의 V2O5의 비율은 각각 91.93 %, 49.03 %로 나타났다. 표 2의 x2은 최적맞춤에 대한 오차이다.
- 그림 8과 9는 시료1과 2의 산소 분압비에 따른 v2o2의 광흡수 특성의 변화를 보여주고 있다. 시료1(02 10 %)은 1.5 eV에서 흡수가 시작되어 2.5 eV 근처에서 급격하게 증가 하였으며, 시료2(6 0%)의 경우는 1.0 eV에서 흡수가 나타나기 시작했고 1.25 eV 근처에서 아주 급격한 소멸계수의 증가를 보였다.
- 표 4에 DA에 의한 분석 결과와 SEM 측정에 의한 결과를 비교하여 나타내었다. 비교 결과 시료1의 경우 SEM의 측정결과와 3 nm의 차이를 보였고, 시료2의 경우는 27.4 nm의 차이를 보였다.
- 5 nm였다. 표면거칠기층의 두께는 시료1에서 33.9nm로 더 두꺼웠지만 그림 10과 11에서도 볼 수 있듯이 시료 2의 거칠기 정도가 더 크게 나타나 분산관계식을 이용한 최적 맞춤에 대한 오차(x2)가 더 컸으며, SEM 측정에 의한 두께와의 차이도 더 크게 나타났다.
- DA 분산관계식을 이용한 최적맞춤과 SEM과 XRD의 측정을 통하여 V2O5 박막의 광학적 구조가 표면 거칠 기층/박막/기판의 구조임을 알 수 있었고, 표면거칠기층의 두께 및 거칠기 정도와 박막의 두께를 알 수 있었다.
- 시료1과 2의 복소굴절률 스펙트럼을 브]교한 결과 V2O5 의 광흡수특성의 변화가 산소 분압비에 크게 의존함을 보였다.
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