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문제 정의
- [4, 5], 타원편광분석법은 반도체 박막들의 광 특성과 두께 등을 Kramers-Kronig 관계식 없이도 정확하게 측정할 수 있는 기술이다 [6]. 기존에 보고된 BST 박막의 광 특성은 1.5 ~ 6.5 eV 의 에너지 영역으로 제한되어 있었기에, 본 연구에서는 Vacuum Ultra Violet spectroscopic ellipsometer (VUV-SE) 를 이용하여 보다 확장된 에너지 영역 (0.92 ~ 8.6 eV) 에서의 BST 박막의 광 특성을 처음으로 연구하였다. 측정된 광 스펙트럼으로부터 BST 박막의 굴절율 함수 (N = n + ik) 를 얻기 위하여 Tauc-Lorentz (TL) 분산 모델을 [7] 이용하였다.
제안 방법
- Table 1은 세부적인 박막의 성장 조건을 보여준다. BST 박막들은 8 mTorr 의 압력의 산소와 아르곤 혼합기체 (O2:Ar = 1:4) 분위기속에서 120 W 의 sputtering power 로 각각 실온, 300℃, 700℃ 에서 증착 한 후에 rapid thermal annealing (RTA) 기법을 이용하여 900℃ 에서 annealing 하였다. 준비된 BST 박막의 광특성 분석을 위해 VUV-SE 를 이용하여 0.
- BST 박막의 광 특성을 표현하기 위하여 TL 분산 모델을 사용하였고, 각각의 fitting 변수들을 조절하여 광 특성을 분석하였다. TL 분산 모델은 기존의 Lorentz 모델이 에너지 갭 보다 작은 에너지 영역에서 소광계수 Z 가。으로 수렴하는 현상을 기술할 수 없었던 문제점을 보완하기 위해 Tauc-joint density of state 개념을 주가하여 제시된 모델이다 [7].
- Vacuum Ultra Violet spectroscopic ellipsometer (VUV-SE) 를 이용하여 기존에 타원편광분석법으로 보고되었던 BaSmaTitS (BST) 박막의 광 특성 분석을 보다 확장된고 에너지 영역에서 실시하였다. 증착 조건과 annealing 조건을 달리한 BST 박막들을 0.
- 3은 VUV-SE 로 측정한 BST 시료의 ψ 와 Δ 스펙트럼이다. 스펙트럼의 변화를 간단하게 보여주기 위해 입사각 60° 의 데이터만 나타내었으며 ψ 와 Δ 스펙트럼을 각각 맨 아래의 스펙트럼에 대해 각각 30, 100 씩을 더하였다. 측정된 스펙트럼으로부터 BST 박막 자체만의 광 특성 분석해 내기 위하여 Fig.
- (amplitude) 을 각각 의미한다. 식 1과 같이 표현된 유전함수의 허수부에 대해, 실수부는 numerical integration 으로 얻어 낼 수 있으며, 이를 통해 BST 박막들에 대한 분석을 실시하였다. TL 분산모델로 fitting 하여 분석된 변수들의 값은 Table 2에 나타내었다.
- TL 분산모델로 fitting 하여 분석된 변수들의 값은 Table 2에 나타내었다. 이전에 보고되었던 결과에서는 에너지 영역이 제한됨에 따라 1 개의 TL oscillator 만을 사용하여 분석이 시행 되었지만 본 연구에서는 보다 확장된 에너지 영역에서 2개의 TL oscillator 로 분석이 이루어졌다. Fitting 을 하는 과정에서는 3개의 입사각에서 측정된 스펙트럼들을 모두 함께 실시하였다.
- BST 박막들은 8 mTorr 의 압력의 산소와 아르곤 혼합기체 (O2:Ar = 1:4) 분위기속에서 120 W 의 sputtering power 로 각각 실온, 300℃, 700℃ 에서 증착 한 후에 rapid thermal annealing (RTA) 기법을 이용하여 900℃ 에서 annealing 하였다. 준비된 BST 박막의 광특성 분석을 위해 VUV-SE 를 이용하여 0.92 ~ 8.6 eV 의 에너지 영역에서 60, 65, 70℃의 입사각으로 BST 박막의 유전함수 스펙트럼을 측정하였다. VUV-SE 는 nitrogen purged chamber 를 사용함으로써 대기 중에서 흡수되어통과 하지 못하는 자외선 영역의 파장 빛 까지도 사용할 수 있어서 보다 넓은 분광 에너지 영역을 갖는다 [8, 9], 또한 auto retarder, rotating analyzer, Xenon lamp 와 Deutrium lamp 를 사용하며 photomultiplier tube 와 solidstate detector 등의 광 검출 부품으로 구성되어 있다.
- 스펙트럼의 변화를 간단하게 보여주기 위해 입사각 60° 의 데이터만 나타내었으며 ψ 와 Δ 스펙트럼을 각각 맨 아래의 스펙트럼에 대해 각각 30, 100 씩을 더하였다. 측정된 스펙트럼으로부터 BST 박막 자체만의 광 특성 분석해 내기 위하여 Fig. 1과 같이 5-layer 다층 구조 모델을 세웠다. 여기서 BST 박막은 Fig.
대상 데이터
- 1은 준비한 BST 시료의 구조도이다. BST 박막은 지름 3 인치 BST target 이 장착된 rf-magnetron sputter 로 Pt/Ti/SiO2/c-Si (100) 기판 위에 conventional solid state method 로 증착 온도와 annealing 조건을 다르게 하여 6 개의 박막을 준비 하였다. Table 1은 세부적인 박막의 성장 조건을 보여준다.
이론/모형
- 에너지 영역에서 실시하였다. 증착 조건과 annealing 조건을 달리한 BST 박막들을 0.92 ~ 8.6 eV 에너지 구간에서의 광 스펙트럼을 측정하였고 Tauc-Lorentz (TL) 분산 모델을 이용하여 분석하였다. 분석 결과에서 BST 박막의 증착 온도에 따른 결정화 경향성과 thermal annealing 이 BST 박막의결정화에 많은 영향을 준다는 기존의 연구결과를 확인함과 동시에, 에너지 영역의 제한으로 이전에는 확인할 수 없었던고 에너지 스펙트럼 구간에서의 새로운 피크구조를 처음 발견하였고 보다 정확한 BST 박막의 광 특성을 정의 할 수 있었다.
- 6 eV) 에서의 BST 박막의 광 특성을 처음으로 연구하였다. 측정된 광 스펙트럼으로부터 BST 박막의 굴절율 함수 (N = n + ik) 를 얻기 위하여 Tauc-Lorentz (TL) 분산 모델을 [7] 이용하였다. 그 결과 기존의 보고되었던 굴절율 함수에서는 [4, 5] 확인하지 못하였던 고 에너지 영역대의 새로운 구조(structure 또는 peak)를 발견하였다.
성능/효과
- 측정된 광 스펙트럼으로부터 BST 박막의 굴절율 함수 (N = n + ik) 를 얻기 위하여 Tauc-Lorentz (TL) 분산 모델을 [7] 이용하였다. 그 결과 기존의 보고되었던 굴절율 함수에서는 [4, 5] 확인하지 못하였던 고 에너지 영역대의 새로운 구조(structure 또는 peak)를 발견하였다.
- 분석결과를 통해 증착 온도가 높을수록 시료의 결정화 경향이 증가 하고 thermal annealing 의 과정을 거친 4 번, 5 번, 6 번의 시료가 1 번, 2 번, 3 번의 시료보다 결정화와 동시에 굴절률과 소광계수가 급격하게 변화하는 것을 보았을 때에, BST 박막의 결정화 과정에는 thermal annealing 과정이 증착 온도 보다 더 큰 영향을 미친다는 것을 나타낸다. 따라서 본 연구의 결과는 기존의 분석과 부합하고 있으며 또한 확장된 에너지 스펙트럼 영역에 대한 결과까지 포함하고 있으므로 현재까지 가장 정확한 BST 박막의 광 특성을 정의하고 있다고 할 수 있다.
- 6 eV 에너지 구간에서의 광 스펙트럼을 측정하였고 Tauc-Lorentz (TL) 분산 모델을 이용하여 분석하였다. 분석 결과에서 BST 박막의 증착 온도에 따른 결정화 경향성과 thermal annealing 이 BST 박막의결정화에 많은 영향을 준다는 기존의 연구결과를 확인함과 동시에, 에너지 영역의 제한으로 이전에는 확인할 수 없었던고 에너지 스펙트럼 구간에서의 새로운 피크구조를 처음 발견하였고 보다 정확한 BST 박막의 광 특성을 정의 할 수 있었다. 타원편광분석법을 통한 BST 박막의 광 특성의 연구는 Microwave dielectric 물질에 대한 데이터 베이스 구축 및 고속 소자의 발전 등에 유용하게 이용될 것이라고 예상된다.
- 이는 비정질 물질이 결정화 되면서 k 스펙트럼이 밴드 갭 이하에서는 0 값을 갖다가 밴드갭 이후에서 급격하게 증가하는 기존 연구들과[10, 11] 정확하게 일치하고 있는데, 이는 BST 박막이 성장 조건과 열처리에 따라 결정 화가 진행되고 있다는 것으로 해석할 수 있다. 분석결과를 통해 증착 온도가 높을수록 시료의 결정화 경향이 증가 하고 thermal annealing 의 과정을 거친 4 번, 5 번, 6 번의 시료가 1 번, 2 번, 3 번의 시료보다 결정화와 동시에 굴절률과 소광계수가 급격하게 변화하는 것을 보았을 때에, BST 박막의 결정화 과정에는 thermal annealing 과정이 증착 온도 보다 더 큰 영향을 미친다는 것을 나타낸다. 따라서 본 연구의 결과는 기존의 분석과 부합하고 있으며 또한 확장된 에너지 스펙트럼 영역에 대한 결과까지 포함하고 있으므로 현재까지 가장 정확한 BST 박막의 광 특성을 정의하고 있다고 할 수 있다.
후속연구
- 분석 결과에서 BST 박막의 증착 온도에 따른 결정화 경향성과 thermal annealing 이 BST 박막의결정화에 많은 영향을 준다는 기존의 연구결과를 확인함과 동시에, 에너지 영역의 제한으로 이전에는 확인할 수 없었던고 에너지 스펙트럼 구간에서의 새로운 피크구조를 처음 발견하였고 보다 정확한 BST 박막의 광 특성을 정의 할 수 있었다. 타원편광분석법을 통한 BST 박막의 광 특성의 연구는 Microwave dielectric 물질에 대한 데이터 베이스 구축 및 고속 소자의 발전 등에 유용하게 이용될 것이라고 예상된다.
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