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문제 정의
- 측정 및 분석된 박막의 두께, 굴절률 및 투과율 스펙트럼을 설계값과 비교 · 평가하여 박막의 두께 및 굴절률의 차이가 투과율에 미치는 효과에 대해 논의하였다.
제안 방법
- 3mm 두께의 cover glass 기판에 제작하였다. 다층박막의 제작에 앞서 제작에 사용된 SiO2, ZrO2, TiO2의 RF 파워와 스퍼터링 시간에 따른 증착률 조사를 하였고, 이 결과를 이용하여 각 물질의 적절한 RF 파워와 박막 각 층의 스퍼터링 시간을 결정하였다. Table 1에 스퍼터링 조건을 나타내었고, Table 2에는 광대역 반사방지막의 제작조건을 나타내었다.
- 설계된 박막은 RF 스퍼터링 시스템(RF sputtering system)을 이용하여 단계별로 제작하였고, 분광타원계(spectroscopic ellipsometer)와 UV-Vis 분광광도계(UV-Vis spectrophotometer)를 이용하여 박막의 두께, 굴절률 및 투과율 스펙트럼을 300 ~ 900nm의 파장 영역에 걸쳐 측정 및 분석하였다. 또한 AFM(Atomic Force Microscope)을 이용하여 단계별시료의 표면상태를 조사하였다. 측정 및 분석된 박막의 두께, 굴절률 및 투과율 스펙트럼을 설계값과 비교 · 평가하여 박막의 두께 및 굴절률의 차이가 투과율에 미치는 효과에 대해 논의하였다.
- 또한 측정 및 분석된 박막의 두께, 굴절률, 투과율 스펙트럼을 설계값과 비교 · 평가하여 박막의 두께, 굴절률의 차이가 투과율에 미치는 효과에 대해 논의하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 박막의 제작을 위해 8.0×10-6 torr 이하까지 초기 진공상태를 만든 다음 Ar 가스를 30sccm 유속으로 반응실 내로 주입시키면서 가스압이 약 1.5 ~ 2.0×10-2 torr가 되도록 하였고, 각각 SiO2는 120W, TiO2는 150W, ZrO2는 100W,의 RF 파워를 공급하여 플라즈마를 발생시켰다.
- 본 연구에서는 SiO2/TiO2/ZrO2를 이용하여 7층의 단면 광대역 반사방지막을 400 900nm의 파장 영역에 걸쳐 96% 이상의 투과율을 목표로 설계하였고, 설계에는 Essential Macleod(Ver. 8.16) 프로그램을 사용하였다.
- 본 연구에서는 박막설계 프로그램인 Essential Macleod 프로그램을 이용하여 7층의 SiO2/TiO2/ZrO2 광대역 반사방지막을 설계하고, RF 스퍼터링 방식으로 박막을 제작하였다. 분광타원계와 UV-Vis 분광광도계를 이용하여 박막의 두께, 굴절률 및 투과율 스펙트럼을 300 ~ 900nm의 파장 영역에 걸쳐 측정 및 분석하였으며, AFM을 통해 표면 거칠기를 조사하였다.
- 분광타원계와 UV-Vis 분광광도계를 이용하여 박막의 두께, 굴절률 및 투과율 스펙트럼을 300 ~ 900nm의 파장 영역에 걸쳐 측정 및 분석하였으며, AFM을 통해 표면 거칠기를 조사하였다.
- 설계된 박막은 RF 스퍼터링 시스템(RF sputtering system)을 이용하여 단계별로 제작하였고, 분광타원계(spectroscopic ellipsometer)와 UV-Vis 분광광도계(UV-Vis spectrophotometer)를 이용하여 박막의 두께, 굴절률 및 투과율 스펙트럼을 300 ~ 900nm의 파장 영역에 걸쳐 측정 및 분석하였다.
- 시료의 표면에 대한 입사각은 65°로 하였으며 스펙트럼의 측정범위는 0.75 ~ 4.2eV(295 ~ 1652nm)에 걸쳐 측정하였다.
- 제작된 박막의 투과율은 1024 채널의 광다이오드 array detector를 장착한 UV-Vis 분광광도계(Scinco, S-3100)를 사용하여, 300nm ~ 900nm의 파장영역에 걸쳐 측정하였고, 측정입사각은 0°로 고정하였다.
대상 데이터
- 제작된 박막의 타원상수 측정에 이용된 분광타원계(spectroscopic ellipsometer, Jobin-Yvon, UVISEL)는 광탄성변조기(photoelastic modulator)를 이용하여 박막에 입사하는 빛의 편광상태를 50kHz의 진동수로 변조시키는 위상변조방식이다. 광원으로는 출력이 75W이고 파장 영역이 260 ~ 1700nm인 제논 아크등을 사용하였다. 광측정장치로는 초점거리가 460mm이고 1200grooves/mm 격자를 갖는 분광기(Jobin-Yvon, HR 460)를 사용하였다.
- 광원으로는 출력이 75W이고 파장 영역이 260 ~ 1700nm인 제논 아크등을 사용하였다. 광측정장치로는 초점거리가 460mm이고 1200grooves/mm 격자를 갖는 분광기(Jobin-Yvon, HR 460)를 사용하였다. 시료의 표면에 대한 입사각은 65°로 하였으며 스펙트럼의 측정범위는 0.
- 본 연구에서는 SiO2/TiO2/ZrO2를 이용하여 7층의 광대역 반사방지막을 설계하였다. 반사방지막은 유리나 플라스틱 기판 등의 반사율을 줄이고 투과율을 증가시키는 것을 목적으로 하며 안경렌즈, 텔레비전 화면, CD나 DVD의 pickup렌즈, 광통신에서의 화이버 단면 등 광학부품에는 없어서는 안 될 기초기술이다.
- 설계된 박막의 제작에 사용된 장치는 RF 스퍼터링 시스템(태백진공)으로 진공을 형성하고 유지시키는 진공 시스템과 타깃, RF 전원공급장치, 기판홀더, 가스 주입장치, 온도조절장치로 구성되어 있다. 박막의 제작을 위해 8.
- 0×10-2 torr가 되도록 하였고, 각각 SiO2는 120W, TiO2는 150W, ZrO2는 100W,의 RF 파워를 공급하여 플라즈마를 발생시켰다. 스퍼터링은 상온에서 가스 유입량을 일정하게 한 상태에서 두께가 0.3mm 두께의 cover glass 기판에 제작하였다. 다층박막의 제작에 앞서 제작에 사용된 SiO2, ZrO2, TiO2의 RF 파워와 스퍼터링 시간에 따른 증착률 조사를 하였고, 이 결과를 이용하여 각 물질의 적절한 RF 파워와 박막 각 층의 스퍼터링 시간을 결정하였다.
이론/모형
- 400 900nm에서 96% 이상의 투과율을 갖도록 설계된 단면 SiO2/TiO2/ZrO2 광대역 반사방지막의 단계별 시료들의 타원상수에 대한 최적맞춤은 TiO2와 ZrO2는 Tauc - Lorentz, SiO2는 Sellmeier, 기판으로 사용한 cover glass는 New Amorphous 분산관계식으로 수행하였다[12-15]. 각 시료들의 분석은 전 단계 시료의 분석결과를 되먹임하였다.
- 박막의 표면은 AFM(Park Scientific Instrument, Autoprobe-CP)을 이용하여 조사하였고, 박막 표면의 rms(root mean square) 값을 구하였다.
- 1에서 4까지에는 설계에 사용한 굴절률과 분산관계식에 의해 얻어진 기판과 각 층의 굴절률 스펙트럼을 비교하여 나타내었다. 설계에 사용한 굴절률은 Essential Macleod 프로그램에 내장된 굴절률이며, 각 층의 번호는 그 번호에 해당하는 단일 층을 표시한 것이다. 비교결과 기판의 굴절률은 분석값이 약간 작았으며 SiO2 층들의 굴절률은 전체적으로 350nm 이상에서 설계값에 비해 0.
성능/효과
- SiO2 층 위에 표면거칠기층의 존재를 고려하여 EMA 분석을 통해 얻은 표면거칠기층의 두께는 AFM에 의하여 측정된 2.2nm 보다 4.4nm 큰 6.6nm였고, void 함량은 40%였으며, 510nm의 파장에서 굴절률은 1.27로 SiO2 층의 굴절률 1.45 보다 0.18 작았다. Fig.
- 5% 정도 작았기 때문이다. 단계별로 제작된 박막의 굴절률 스펙트럼을 비교한 결과 ZrO2 층들의 굴절률이 설계값과 큰 차이를 보였고, 그 중 #ZrO2 층의 굴절률의 차이가 가장 컸으며, 그 결과 투과율의 차이도 가장 크게 나타났다. 박막의 두께는 #TiO2 층과 #ZrO2 층에서 각각 +13nm, -14.
- 단계별로 제작된 시료들의 측정 및 분석된 박막의 두께, 굴절률, 투과율 스펙트럼을 설계값과 비교 · 평가한 결과 각층의 두께, 굴절률의 차이에 따른 투과율의 변화를 분석할 수 있었다.
- 11 정도의 차이를 보였다. 또한 ZrO2 층들 사이의 굴절률 차이도 컸고, 굴절률의 분산형태도 크게 달랐다. 이러한 이유는 ZrO2의 두께 증가에 따른 박막의 불균질성에 의한 것으로 생각된다.
- 또한 ZrO2 층의 굴절률이 370 ~ 500nm 사이에서 급격히 작아져 굴절률의 크기와 분산형태가 설계값과 크게 달라졌고, 그 결과 370 ~ 500nm 사이에서의 투과율의 감소가 #ZrO2 층에서 나타나기 시작하였다.
- 단계별로 제작된 시료들의 측정 및 분석된 박막의 두께, 굴절률, 투과율 스펙트럼을 설계값과 비교 · 평가한 결과 각층의 두께, 굴절률의 차이에 따른 투과율의 변화를 분석할 수 있었다. 분석결과 박막의 두께보다는 굴절률과 굴절률의 분산형태가 투과율의 변화에 더 크게 기여함을 알 수 있었다.
- Table 3에 두께에 대한 분석결과를 설계값과 비교하여 나타내었다. 분석결과를 설계값과 비교한 결과 #TiO2 층과 #ZrO2 층의 두께가 각각 +13nm, -14.1nm의 큰 차이를 보였고, SiO2 층들에서는 #층에서만 +7.2nm의 큰 차이를 보였다. Table 4에서 6까지에는 기판, SiO2, TiO2, ZrO2 층의 분석에 사용된 분산관계식들의 분산변수들의 값을 각 층별로 비교하여 나타내었다.
- 설계에 사용한 굴절률은 Essential Macleod 프로그램에 내장된 굴절률이며, 각 층의 번호는 그 번호에 해당하는 단일 층을 표시한 것이다. 비교결과 기판의 굴절률은 분석값이 약간 작았으며 SiO2 층들의 굴절률은 전체적으로 350nm 이상에서 설계값에 비해 0.01 정도 작았고, TiO2 층의 굴절률은 400nm에서 작아지기 시작하여 장파장 쪽으로 갈수록 더 작아져 900nm에서는 0.10 정도의 차이를 보였다. ZrO2 층들의 굴절률은 다른 층들에 비해 설계값과의 차이가 가장 크게 나타났다.
- 제작된 SiO2/TiO2/ZrO2 다층박막의 투과율은 500 ~ 800nm에서 94% 정도의 투과율이 얻어졌다. 측정된 투과율은 기판으로 사용된 유리의 투과율 보다 약 3% 정도 향상된 값이며, 설계값 보다는 1 ~ 2% 정도 작은 값이다.
- 측정된 투과율은 기판으로 사용된 유리의 투과율 보다 약 3% 정도 향상된 값이며, 설계값 보다는 1 ~ 2% 정도 작은 값이다.
후속연구
- 이러한 결과들로 미루어 볼 때 보다 설계에 근접한 박막을 제작하기 위해서는 제작된 박막의 두께와 굴절률을 정확하게 분석하여 박막의 광학적 특성을 왜곡시키는 원인을 찾아내어 설계에 반영한다면 박막의 제작시에 발생하는 여러 가지 변수들을 줄일 수 있을 것이다.
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