분자동역학을 이용하여 이온빔스퍼터링 과정에서 원자의 거동을 연구하였다. Ar이온이 Au와 Pd(001) 표면에 다양한 에너지와 입사각도로 충돌할 때, 표면원자들 중 일부는 공간으로 떨어져 나갔으며, 반응 후 일부 원자들은 초기 표면보다 위쪽에 재증착 되는 현상이 관찰되었다. 재증착 원자의 수율은 스퍼터된 원자보다 Au의 경우 약 5배, Pd의 경우 약 3배 많이 입사 에너지와 입사 각도에 상관없이 발생됨을 확인하였다. 연속된 입사계산을 통해, 스퍼터링 과정에 발생되는 다양한 표면 패턴 형성 메커니즘을 식각만으로 설명하고 있는 종래의 개념과는 달리, 이온빔으로 인해 끊임없이 발생되는 재증착 원자들이 표면의 구조를 형성하는데 중요한 역할을 하는 것으로 확인되었다.
분자동역학을 이용하여 이온빔 스퍼터링 과정에서 원자의 거동을 연구하였다. Ar이온이 Au와 Pd(001) 표면에 다양한 에너지와 입사각도로 충돌할 때, 표면원자들 중 일부는 공간으로 떨어져 나갔으며, 반응 후 일부 원자들은 초기 표면보다 위쪽에 재증착 되는 현상이 관찰되었다. 재증착 원자의 수율은 스퍼터된 원자보다 Au의 경우 약 5배, Pd의 경우 약 3배 많이 입사 에너지와 입사 각도에 상관없이 발생됨을 확인하였다. 연속된 입사계산을 통해, 스퍼터링 과정에 발생되는 다양한 표면 패턴 형성 메커니즘을 식각만으로 설명하고 있는 종래의 개념과는 달리, 이온빔으로 인해 끊임없이 발생되는 재증착 원자들이 표면의 구조를 형성하는데 중요한 역할을 하는 것으로 확인되었다.
Atomic behavior during ion beam sputtering was investigated by using classical molecular dynamics simulation. When Ar ion bombards on Au and Pd(001) surface with various incidence energies and angles, some atoms which gained substantial energy by impacting Ar ion were sputtered out and, simultaneous...
Atomic behavior during ion beam sputtering was investigated by using classical molecular dynamics simulation. When Ar ion bombards on Au and Pd(001) surface with various incidence energies and angles, some atoms which gained substantial energy by impacting Ar ion were sputtered out and, simultaneously, others were landed on the surface as if surface atoms were redeposited. It was observed that the redeposited atoms are five times for Au and three times for Pd as many as sputtered atoms irrespective of both incidence energy and angle. From sequential ion bombarding calculations, contrary to the conventional concepts which have described the mechanism of surface pattern formation based only on the erosion theory, the redeposition atoms were turned out to play a significant role in forming the surface patterns.
Atomic behavior during ion beam sputtering was investigated by using classical molecular dynamics simulation. When Ar ion bombards on Au and Pd(001) surface with various incidence energies and angles, some atoms which gained substantial energy by impacting Ar ion were sputtered out and, simultaneously, others were landed on the surface as if surface atoms were redeposited. It was observed that the redeposited atoms are five times for Au and three times for Pd as many as sputtered atoms irrespective of both incidence energy and angle. From sequential ion bombarding calculations, contrary to the conventional concepts which have described the mechanism of surface pattern formation based only on the erosion theory, the redeposition atoms were turned out to play a significant role in forming the surface patterns.
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문제 정의
분자동역학 계산 결과의 신뢰도는 사용된 원자간 포텐셜의 정확도에 크게 의존한다. 본 연구는 이온 스퍼터링 현상을 모사하기 위해서 두 종류의 원자간 포텐셜 함수를 조합하여 적용하였다. 타깃 재료로 선택된 Au와 Pd의 열적 기계적 거동을 모사하기 위해서 금속재료에 적합하기로 잘 알려진 embedded atom method (EAM)포텐셜 함수[21]를 사용하였다.
본 연구는 이온빔의 충돌 과정에서 발생되는 다양한 현상들 가운데, 충돌 이후 타깃 원자들이 표면위로 올라오는 재증착(redepsoition)에 관한 정량적 분석을 하였다. 그림 2는 본 연구와 관련하여 스퍼터링 과정을 효과적으로 이해하기 위한 snapshot들이다.
가설 설정
실제 실험에서는 Ar이 약한 전하를 띄고 있으나, 본 계산에서는 그 효과를 무시하였다. 즉, 금속기판은 도체여서 전하입자에 의한 charging이 일어나지 않기 때문에 표면원자의 거동에 영향을 주지 않는다고 가정하였다. 여기서는 입사되는 Ar 원자는 불활성 이온이므로 타깃원자와 반응하지 않지만, 타깃원자에 매우 가깝게 접근했을 때에는 강한 척력을 보이게 된다.
제안 방법
재증착 원자에 대한 정량적인 이해를 위해 원자의 입사와 충돌, 확산 및 안정화 과정의 구체적인 거동을 가장 효율적으로 관찰 할 수 있는 분자동역학 방법을 이용하였다. Ar원자의 입사 에너지, 입사 각도에 따른 Au와 Pd(001) 표면에서의 거동을 각각 조사하였으며, 분자동역학 계산 오차의 최소화를 위해 통계적인 기법을 이용하여 정량적으로 분석하였다.
한편 EAM 포텐셜은 금속원자의 평형상태 근처에서의 거동에 최적화 되어 있기 때문에, 이온 충돌에 의한 현상을 제대로 기술하기 위해서는 원자간 거리가 짧을 때에는 ZBL 포텐셜이 작용되도록 기존의 EAM 포텐셜 (식 1)의 ∅(rij) 부분을 개선하여야 한다. ZBL 포텐셜과 EAM 포텐셜을 자연스럽게 결합시키기 위해서 switching 함수의 개념을 이용하였다.
계산은 임의의 위치에서 Ar원자를 Pd(001)표면에 0.5 keV의 에너지로 수직과 60도의 θ로 충돌을 시켰으며, 반응이 끝나고 난 후, 다시 임의의 위치에서 이어서 Ar원자를 입사시키는 방법으로 계산을 하였다.
주기 경계조건은 x와 y방향으로만 적용하였으며, 기판의 맨 아래 3층은 고정하였고, 나머지에서 아래쪽 절반은 300K 온도를 유지하도록 하였으며, 나머지는 초기 온도만 300K를 주어 충돌 후 표면의 안정화가 자연스럽게 진행되도록 하였다. 분자동역학 계산오차를 최소화하기 위해 time step도 원자 간의 반응 정도에 따라 0.001부터 1.0 femto-seconds(fs)로 다양하게 변화시켰다. 모든 원자에 대한 위치 정보는 10.
분자동역학 전산모사를 이용하여 스퍼터링 현상의 이온 충돌 후 타깃의 원자가 표면위로 올라와 배열하는 재증착효과에 대해 정량적인 계산을 수행하였다. Ar원자를 Au와 Pd(001) 표면에 다양한 입사에너지, 입사각도에 따라 충돌거동을 모사하였으며, 결과의 통계적 처리를 통해, Yredepo은 Yspt에 비해 적게는 3배 크게는 5배 많이 발생되었으며, 이것은 Ar 이온의 입사에너지, 입사각도와 상관없이 타깃 재료에 따라 일정하게 나타났다.
이것은 음의 증착(negative deposition) 즉, 스퍼터링에 기반을 두고 있는 기존의 이론적 접근에 많은 수정이 필요하다는 것을 의미한다. 이러한 재증착 효과가 표면 패턴 형성에 미치는 영향을 확인하기 위해, 분자동역학을 이용하여 연속적으로 Ar을 충돌시킨 계산을 수행하였다. 계산은 임의의 위치에서 Ar원자를 Pd(001)표면에 0.
Ar 원자의 입사 방향에 대한 기하학적인 간략도가 그림 3에 나타나 있다. 입사 에너지에 대한 거동을 조사하기 위해 0.5, 1.0, 그리고 2.0 keV의 에너지를 선택하였다. Ar의 입사에너지에 따라 타깃의 크기는 입사에너지가 충분히 흡수되도록 0.
입사각도에 대한 변화를 조사하기 위해 극각(polar angle, θ)은 표면에 수직방향을 기준으로 0, 30, 45, 60, 75도의 경우를 선택하였다.
모든 계산은 다음과 같은 공통적인 조건으로 수행되었다. 주기 경계조건은 x와 y방향으로만 적용하였으며, 기판의 맨 아래 3층은 고정하였고, 나머지에서 아래쪽 절반은 300K 온도를 유지하도록 하였으며, 나머지는 초기 온도만 300K를 주어 충돌 후 표면의 안정화가 자연스럽게 진행되도록 하였다. 분자동역학 계산오차를 최소화하기 위해 time step도 원자 간의 반응 정도에 따라 0.
대상 데이터
0 keV의 에너지를 선택하였다. Ar의 입사에너지에 따라 타깃의 크기는 입사에너지가 충분히 흡수되도록 0.5, 1.0, 2.0 keV에 각각 32,000, 48,080, 그리고 108,000개의 원자로 이루어진 타깃 기판을 준비하였다. 원자간 힘이 미치지 않는 충분한 거리에서 xy평면으로 임의의 위치에서 Ar원자를 입사시키고, 충돌 후, 기판으로부터 떨어져 없어지는 원자를 추적하여 ‘스퍼터링 원자’로 정의하였으며, 최종적으로 초기 기판 위쪽으로 자리를 잡는 원자들을 ‘재증착 원자’로 정의하였다.
529Å로 Bohr length에 해당한다. 본 연구에서는 Ar-Au, Ar-Pd과 Ar-Ar을 위해 ZBL 포텐셜이 사용되었다.
흥미롭게도, 표시된 초기원자의 높이를 기준으로 4,200번의 충돌이 있은 후임에도 불구하고 초기 표면보다 높은 위치에 남아 있는 원자들이 다수 발견되었다. 사용된 Pd 기판은 1층당 3,200개의 Pd 원자로 구성되어 있고, 그림 4에서 확인했듯이, 수직입사시 Ar 1개당 평균적으로 3개의 Pd원자가 스퍼터링 되기 때문에, 계산 결과 12,600개의 Pd원자가 스퍼터 될 것으로 예상할 수 있다. 이 수라면, 약 3.
여러 개의 원자를 입사시키는 경우, 기판의 크기는 15.56×15.56×3.89 (nm3 )의 크기의 Pd(001) 기판을 사용하였으며, 입사 조건 등은 수율을 계산할 때 사용된 방법과 동일하게 하였다.
데이터처리
원자간 힘이 미치지 않는 충분한 거리에서 xy평면으로 임의의 위치에서 Ar원자를 입사시키고, 충돌 후, 기판으로부터 떨어져 없어지는 원자를 추적하여 ‘스퍼터링 원자’로 정의하였으며, 최종적으로 초기 기판 위쪽으로 자리를 잡는 원자들을 ‘재증착 원자’로 정의하였다. 각 경우에 대한 수율은 이 계산을 1,000번씩 수행하여 전체 경우에 대한 평균과 표준편차를 구하였으며, 이것들이 각각 Yspt 및 Yredepo, 그리고 이들의 오차로써 활용되었다. 여러 개의 원자를 입사시키는 경우, 기판의 크기는 15.
관련된 연구들에서 주로 조사되었던 Yspt을 계산하였다. 그림 4는 Au와 Pd(001)표면에서 입사에너지 (0.
이론/모형
이것이 본 연구에서 관심을 갖고 정량적으로 조사하게 될 재 증착 원자들이다. 재증착 원자에 대한 정량적인 이해를 위해 원자의 입사와 충돌, 확산 및 안정화 과정의 구체적인 거동을 가장 효율적으로 관찰 할 수 있는 분자동역학 방법을 이용하였다. Ar원자의 입사 에너지, 입사 각도에 따른 Au와 Pd(001) 표면에서의 거동을 각각 조사하였으며, 분자동역학 계산 오차의 최소화를 위해 통계적인 기법을 이용하여 정량적으로 분석하였다.
본 연구는 이온 스퍼터링 현상을 모사하기 위해서 두 종류의 원자간 포텐셜 함수를 조합하여 적용하였다. 타깃 재료로 선택된 Au와 Pd의 열적 기계적 거동을 모사하기 위해서 금속재료에 적합하기로 잘 알려진 embedded atom method (EAM)포텐셜 함수[21]를 사용하였다. EAM 포텐셜의 기본 형태는 다음과 같다.
성능/효과
분자동역학 전산모사를 이용하여 스퍼터링 현상의 이온 충돌 후 타깃의 원자가 표면위로 올라와 배열하는 재증착효과에 대해 정량적인 계산을 수행하였다. Ar원자를 Au와 Pd(001) 표면에 다양한 입사에너지, 입사각도에 따라 충돌거동을 모사하였으며, 결과의 통계적 처리를 통해, Yredepo은 Yspt에 비해 적게는 3배 크게는 5배 많이 발생되었으며, 이것은 Ar 이온의 입사에너지, 입사각도와 상관없이 타깃 재료에 따라 일정하게 나타났다. 연속적인 충돌 계산을 통해, 충분히 많은 충돌이 발생된 이후에도 초기 표면 높이 이상으로 남아 있는 원자들이 존재함을 확인하였으며, 타깃 표면에 나타나는 패턴의 모양 및 형성에 재증착 원자가 매우 중요한 역할을 하는 것으로 확인되었다.
그림 4에서 Yspt이 Au의 경우 에너지에 따라 3-10 atoms/ion 정도, Pd의 경우 3-5 atoms/ion 정도 계산된 반면, 그림 5에서와 같이 Yredepo은 그 범위가 Au의 경우 17-41 atoms/ion, Pd의 경우 10-14 atoms/ion 정도의 값을 보였다. 두 경우를 비교해 보면 Yredepo이 Yspt보다 매우 높게 나타남을 확인할 수 있었다. 이 경우도 역시 입사각도가 변함에 따라 45도 근처에서 최대값을 보였으며, 75도에서 급격히 감소됨을 확인되었다.
0 keV인 경우 Au가 거의 10 atoms/ion 인 것과 비교하면 절반밖에 되지 않는 값이다. 또한 0.5 keV에서 2.0 keV로 증가되면서 Au의 경우 2.73배로 Yspt가 증가된 반면, Pd의 경우 1.64배 증가된 것으로 나타나 Au에 비해 Pd이 에너지 증가에 따른 Yspt의 증가가 민감하지 않은 것으로 나타났다. 이러한 차이는 표 2에서 나와 있는 두 재료의 물성들 가운데 재료의 기계적 열적 특성을 나타내는 bulk modulus (B)와 melting temperature (Tm)의 차이가 주된 원인인 것으로 사료된다.
Ar원자를 Au와 Pd(001) 표면에 다양한 입사에너지, 입사각도에 따라 충돌거동을 모사하였으며, 결과의 통계적 처리를 통해, Yredepo은 Yspt에 비해 적게는 3배 크게는 5배 많이 발생되었으며, 이것은 Ar 이온의 입사에너지, 입사각도와 상관없이 타깃 재료에 따라 일정하게 나타났다. 연속적인 충돌 계산을 통해, 충분히 많은 충돌이 발생된 이후에도 초기 표면 높이 이상으로 남아 있는 원자들이 존재함을 확인하였으며, 타깃 표면에 나타나는 패턴의 모양 및 형성에 재증착 원자가 매우 중요한 역할을 하는 것으로 확인되었다. 이 결과는 식각 현상에 기반을 두고 있는 종래의 kinetic theories와는 다른 관점에서 스퍼터링에 의해 형성되는 표면패턴을 기술해야 한다는 것을 의미한다.
두 경우를 비교해 보면 Yredepo이 Yspt보다 매우 높게 나타남을 확인할 수 있었다. 이 경우도 역시 입사각도가 변함에 따라 45도 근처에서 최대값을 보였으며, 75도에서 급격히 감소됨을 확인되었다. 이것은 Yspt의 변화양상과 동일한 거동을 보였다.
이러한 현상은 또한 Bradley-Harper 이론에서 예측된 것과 일치하는 것이지만, 표면 패턴이 표면 형상에 따른 식각속도의 차이에 의해서만 형성되는 것이 아니라 원래 표면보다 높이 쌓이는 재증착 원자들에 의해 주로 형성된다는 점에서 Bradley-Harper 이론과 물리적 기원이 다르다. 이상의 결과는 지금까지 식각만의 개념으로 생각했던 스퍼터링 연구의 한계와 실제로 표면으로 드러나는 패턴의 모양을 결정하는 것이 식각된 원자 보다 재증착된 원자들이 주요한 역할을 하는 것을 분명히 보여주고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스퍼터링은 어떤 현상을 이용하는 것인가?
전자소자 등 핵심적인 기술에 널리 사용되는 공정인 스퍼터링(sputtering)은 가속된 이온을 타깃에 충돌시킴으로 써 발생되는 원자의 되튐 현상을 이용한 것이다[1]. 이 현상은 타깃 원자를 강제적으로 떼어내어 거친 표면을 매끄럽게 하거나, 매끄러운 표면에 균열을 가해서 증착이나 흡착을 유도하는데 이용되기도 하며, 떼어낸 원자들을 모아서 기판에 쌓이게 하는 박막성장의 용도로 주로 응용되고 있다.
이온빔 스퍼터링에 대한 이론적 연구는 무엇을 기초로 지금까지 발전해왔는가?
이온빔 스퍼터링에 대한 이론적 연구는 1960년대 Sigmund의 이론을 기초로 하여 지금까지 수많은 연구가 발전되어 왔다[13]. 이 이론에 따르면, 표면 식각은 입사된 이온으로부터 전달된 에너지가 전파되면서 발생된다고 설명한다.
Ar이온이 Au와 Pd(001) 표면에 다양한 에너지와 입사각도로 충돌하는 반응 후 나타나는 재증착 현상의 수율은?
Ar이온이 Au와 Pd(001) 표면에 다양한 에너지와 입사각도로 충돌할 때, 표면원자들 중 일부는 공간으로 떨어져 나갔으며, 반응 후 일부 원자들은 초기 표면보다 위쪽에 재증착 되는 현상이 관찰되었다. 재증착 원자의 수율은 스퍼터된 원자보다 Au의 경우 약 5배, Pd의 경우 약 3배 많이 입사 에너지와 입사 각도에 상관없이 발생됨을 확인하였다. 연속된 입사계산을 통해, 스퍼터링 과정에 발생되는 다양한 표면 패턴 형성 메커니즘을 식각만으로 설명하고 있는 종래의 개념과는 달리, 이온빔으로 인해 끊임없이 발생되는 재증착 원자들이 표면의 구조를 형성하는데 중요한 역할을 하는 것으로 확인되었다.
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