[논문]전자빔 증착시 이온빔 보조증착 장비의 사용에 따른 <tex>$SiO_2 & TiO_2$</tex> 박막의 광학적 특성

송명근; 양우석; 권순우; 이형만; 김우경; 이한영; 윤대호; 송요승

전자빔 증착시 이온빔 보조증착 장비의 사용에 따른 $SiO_2 & TiO_2$ 박막의 광학적 특성
Optical properties of $SiO_2$ and $TiO_2$ thin films deposited by electron beam process with and without ion-beam source 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.17 no.4, 2007년, pp.145 - 150

송명근 (한국항공대학교 항공재료공학과) , 양우석 (전자부품연구원 나노바이오센터) , 권순우 (성균관대학교 신소재공학과) , 이형만 (전자부품연구원 나노바이오센터) , 김우경 (전자부품연구원 나노바이오센터) , 이한영 (전자부품연구원 나노바이오센터) , 윤대호 (성균관대학교 신소재공학과) , 송요승 (한국항공대학교 항공재료공학과)

초록
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다층간섭필터 제작을 위한 $SiO_2 & TiO_2$ 박막을 electron-beam을 이용하여 제작하였다. 이온빔 보조증착 장비를 이용한 경우, 아르곤 가스와 산소 가스의 비율에 따라 양극전류를 변화시키며 증착하였고, 전자빔만을 사용한 경우에는 $100{\sim}250^{\circ}C$까지 $50^{\circ}C$ 간격으로 온도를 조정하여 증착하였다 $SiO_2$ 박막의 경우 표면 거칠기는 $200^{\circ}C$와 양극전류 0.2A에서 가장 낮은 값을 보였으며, 굴절률은 이온빔 보조 장치를 사용한 박막이 전자빔만을 사용하여 증착한 박막보다 전체적으로 0.1 정도 낮았다. $TiO_2$의 경우 표면거칠기는 상온과 양극전류 0.2A에서 가장 낮으며, 굴절률은 이온빔 보조 증착장치를 사용한 박막이 전자빔만으로 증착한 경우보다 전체적으로 낮은 값을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The $SiO_2$ and $TiO_2$ thin films for the multilayer interference filter application were manufactured by electron beam process. In case of electron beam process with ion source, the anode current was controlled by gas volume ratio of $O_2$ and Ar. Substrate temperature of electron beam deposition without ion source was increased from 100 to $250^{\circ}C$ with $50^{\circ}C$ increment. The surface roughness values of $SiO_2$ thin films was most low value at $200^{\circ}C$ substrate temperature and 0.2 A anode current respectively. And the surface roughness values of $TiO_2$ thin films was most low value at room temperature and 0.2 A anode current repectively. The refractive index of $SiO_2$ and $TiO_2$ thin films to be deposited with ion source was usually lower than that of thin films without ion source.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

또한 반응 가스를 사용할 시에는 증착층의 화학적 조성까지도 조절 할 수 있다[6]. 본 연구에서는 저굴절률 물질인 Si。?와 고 굴절률 물질인 TiOz를 온도증가에 의한 방법과 이온빔 보조 증착법으로 각각 증착하여 박막의 광학적 특성을 AFM(Atomic Force Microscope), Ellipsometer, UV/ Vis/Nir spectrometer 를 사용하여 측정하였다[7].
Glass 기판은 오염을 줄이기 위해서 기판 홀더에 장착하기 전에 전처리를 하고, 기판 표면의 파티클 및 금속불순물 제거를 위해 아세톤에서 10분간 세척 후 80℃ 의 NH₄OH : H₂O₂: H₂O(1 : 1 :5) 용액에서 30분 동안 초음파세척, 순수 린스후 다시 80℃의 HC₁:H₂O₂:H₂O (1:1:6) 용액에서 30분 동안 초음파세척, 순수 린스를 거쳐 스핀 드라이 공정을 통해 시편 준비를 마무리 하였다. Si 기판의 경우는 120℃ piranha 용액(JSQ: HQ? = 4 : 2)에서 15분 세척한 후 순수 린스 및 스핀 드라이 공정을 통하여 준비하였다.
기판의 온도를 변화시키며 증착한 SiO₂ & TiO₂ 박막과, 이온빔 보조증착 장비를 이용하여 양극전류를 변화시키며 증착한 SiO₂ & TiO₂ 박막의 광학적 특성을 비교 분석하였다. SiO₂ 박막의 경우 표면거칠기는 200℃ 에서 0.
이런 구조의 박막은 대기 중에 노출시 굴절률이 변하고 시간이 지남에 따라 수분, 열 등의 영향으로 박막의 부착력 감소에 따른 투과 파장 영역의 이동으로 투과특성이 변하는 단점을 가진다[3]. 이러한 구조적 문제 해결을 위해 본 연구에서는챔버내의 증착온도를 높여 입자들의 이동도를 높이는 방법과 이온빔 보조 증착법으로 박막의 성장동안 높은 에너지의 이온빔을 낮은 에너지의 증착 입자에 충돌 시켜 입자의 이동도를 증가시키는 방법을 사용하였다[4, 5]. 기판온도를 증가시키는 방법은 산화물질의 용융점이 대부분 2000℃ 이상임을 고려할 때 매우 평평한 기판 위에 증착하거나 기판의 열변형 온도가 낮은 기판에는 적용할 수 없는 단점을 가진다.
증착조건은 회전속도 20rpm/min 이며 전자빔 증착의 경우 기판온도는 상온부터 250℃까지 변화를 주었고, 이온빔 보조 증착의 경笛 아르곤과 산소가스의 비율에 따라 양극전류를 변화시키며 증착하였다. 전자빔 증착의 진공도는 약 3.

성능/효과

100-2500 nm 파장 대에서 막의 흡수율을 측정한 결과 약 500 nm의 파장대역 이상에서 증착 조건에 따라 TiO₂ 박막간에 흡수율 차이를 나타내었다. 전자 빔을 이용한 막의 경우 기판 온도의 증가에 따라 흡수율이 증가되었으며, 보조 이온 빔을 이용한 경우 양극 전류의 증가에 따라 막의 흡수율이 증가되었다.
Fig. 2는 상온에서부터 250℃까지 온도 변화를 주어 SiO₂ 박막을 증착 하였으며, 대체적으로 온도를 증가시킬수록 입자의 이동도가 활발해져 표면 거칠기가 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 상온에서의 표면 거칠기 (RMS [Rq])는 가장 큰 값인 2.
이러한 원인은。2의 주입에 의해 앞선것과 다른 구조 및 조성의 SiO₂ 막이 형성되어졌기 때문이라고 생각되어진다. 결론적으로 이온 보조 빔을 이용할 경우 전자 빔만을 이용하여 형성된 SiO₂ 막에 비해 전체적으로 약 0.1 정도 낮은 굴절률 분포를 갖는 막이 형성됨을 확인하였다.
0이었다. 기판온도의 증가에 따라 굴절률은 증가하는 경향을 나타내었으며, 150℃의 온도에서 증착시킨 박막의 경우 350nm에서 약 2.7을 나타냈으며 장파장 쪽으로 굴절률이 감소하여 1200 nm 대에서는 약 2.0을 나타내었다. 250℃의 온도에서는 200 nm 대에서 약 1.
그러나 250℃의 조건에서 성장시킨 막의 굴절률은 200℃의 조건에 비해서 500-1000nm의 구간에서는 더 작은 값을 나타내었다. 따라서 SiO₂ 박막의 전자빔 증착의 경우 기판 온도의 증가에 따라 굴절률이 증가함을 알 수 있었으며, 특히 150℃의 온도를 기점으로 급격히 증가하는 것을 알 수 있었다.
즉, 균일한 박막의 경우 박막반사율의 최소치는 기판반사율과 정확히 일치할 것이며 불균일의 정도가 클수록 박막 반사율의 최소치와 기판반사율 사이의 편차는 더욱 증가할 것이다. 따라서 이온 보조 빔을 이용하여 증착된 막은 이온 빔 조건에 따라 박막의 균일성에 영향을 미침을 알 수 있었다.
107 nm보다 거친 표면을 갖는 것을 확인하였다. 보조 이온빔을 이용할 경우 아르곤 가스만을 주입하여 양극전류 0.2 A의 조건 하에서 증착된 SiO₂ 막이 가장 매끄러운 표면을 나타냄을 확인하였다.
5 정도 적은 값을 보였다. 아르곤 가스만을 사용한 것과 아르곤, 산소 가스를 혼합한 가스를 사용하여 0.1 A의 전류를 인가시켜 TiO₂ 막을 성장 시킨 경우 전체 파장영역에 대해 많은 굴절률 차이가 나타났으며, 이러한 원인으로는 아르곤 가스를 이용한 이온 빔의 경우 산화 막 증착 시 박막의 조밀성 및 밀도에 많은 영향을 미치지만 산소가스를 같이 주입할 경우 막 조성의 변화에서 기인하는 것을 보인다. 전체적으로 TiO₂ 막의 경우 보조 이온빔을 이용하지 않고 기판 온도의 변화를 통해 더 높은 굴절률을 얻을 수 있었다.
흡수율 차이를 나타내었다. 전자 빔을 이용한 막의 경우 기판 온도의 증가에 따라 흡수율이 증가되었으며, 보조 이온 빔을 이용한 경우 양극 전류의 증가에 따라 막의 흡수율이 증가되었다. 산소가스를 같이 주입한 경우와 아르곤 가스만을 주입하여 0.
1 A의 전류를 인가시켜 TiO₂ 막을 성장 시킨 경우 전체 파장영역에 대해 많은 굴절률 차이가 나타났으며, 이러한 원인으로는 아르곤 가스를 이용한 이온 빔의 경우 산화 막 증착 시 박막의 조밀성 및 밀도에 많은 영향을 미치지만 산소가스를 같이 주입할 경우 막 조성의 변화에서 기인하는 것을 보인다. 전체적으로 TiO₂ 막의 경우 보조 이온빔을 이용하지 않고 기판 온도의 변화를 통해 더 높은 굴절률을 얻을 수 있었다.
상온과 200℃ 조건에서 증착시킨 막의 경우 400 nm 이후 굴절률의 분포가 150℃와 250℃의 조건에서 성장시킨 막이 갖는 굴절률 분포의 중간 정도의 값을 보여주고 있다. 전체적으로 온도가 증가 할수록 굴절률은 증가하는 경향을 나타내었으며, 350 nm 파장에서 가장 높은 값을 보인 후 서서히 장파장 쪽으로 이동하면서 굴절률이 감소하는 경향을 보였다. Fig.
7은 보조 이온 빔으로 증착된 막의 흡수 스펙트럼을 보여주고 있는데, 일반적으로 박막과 기판의 흡수 스펙트럼 사이의 편차는 박믹의 균일성을 반영해준다. 즉, 균일한 박막의 경우 박막반사율의 최소치는 기판반사율과 정확히 일치할 것이며 불균일의 정도가 클수록 박막 반사율의 최소치와 기판반사율 사이의 편차는 더욱 증가할 것이다. 따라서 이온 보조 빔을 이용하여 증착된 막은 이온 빔 조건에 따라 박막의 균일성에 영향을 미침을 알 수 있었다.
9, 0.1 A의 조건에서 성장된 막으! 표면 거칠기인 1.060 nm과 1.107 nm보다 거친 표면을 갖는 것을 확인하였다. 보조 이온빔을 이용할 경우 아르곤 가스만을 주입하여 양극전류 0.

참고문헌 (7)

D. Pramanik, Semicond. lnt. 11 (1988) 94
K.H. Guenther, 'Microstructure of vapor-deposited optical coatings', App!. Opt. 23 (1984) 3806

상세보기
M.G. Krishna, K.N. Rao and S. Mohan, 'Optical properties of ion assisted deposited zirconia thin films', J. Vac. Sci. Technol. A10(1992) 3451
F. Richter, H. Kupfer, P. Schlott, T. Gessner and C. Kaufmann, 'Optical properties and mechanical stress in $SiO_2/Nb_2O_5$ multilayer', Thin Solid Films 389 (2001) 278

상세보기
C.K. Hwangbo, Thin film optics (Dasung, 2001), pp. 151-272
W. Kern and D.A. Poutinen, PCA Review 31 (1970) 187
Thin film and their applications in optoelectronics, Ch, 1, pp. 150, Optronics, Japan (1993)

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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