본 연구에서는 RF 파워, 기판의 종류, 산소분압비의 다양한 제작조건으로 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 $Ta_{2}O_{5}$박막을 제작하였다. 제작된 $Ta_{2}O_{5}$ 박막의 분석을 위해 위상변조방식의 분광타원계를 이용하여 타원상수를 $1.0{\sim}4.0eV$ 영역에 걸쳐 측정하였고, Tauc-Lorentz 분산관계식을 이용하여 박막의 두께와 광학상수를 분석한 결과 제작조건에 따른 광학상수의 크기와 분간형태의 변화가 나타났다. 또한 분산관계식에 의해 분석된 박막의 두께와 광학상수를 이용하여 얻은 투과율 스펙트럼을 UV-Vis 분광광도계에 의해 측정된 값과 비교하여 타원상수 분석을 통해 얻은 두께와 광학상수의 신뢰성을 확인하였다.
본 연구에서는 RF 파워, 기판의 종류, 산소분압비의 다양한 제작조건으로 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 $Ta_{2}O_{5}$ 박막을 제작하였다. 제작된 $Ta_{2}O_{5}$ 박막의 분석을 위해 위상변조방식의 분광타원계를 이용하여 타원상수를 $1.0{\sim}4.0eV$ 영역에 걸쳐 측정하였고, Tauc-Lorentz 분산관계식을 이용하여 박막의 두께와 광학상수를 분석한 결과 제작조건에 따른 광학상수의 크기와 분간형태의 변화가 나타났다. 또한 분산관계식에 의해 분석된 박막의 두께와 광학상수를 이용하여 얻은 투과율 스펙트럼을 UV-Vis 분광광도계에 의해 측정된 값과 비교하여 타원상수 분석을 통해 얻은 두께와 광학상수의 신뢰성을 확인하였다.
$Ta_{2}O_{5}$ thin films were deposited by RF magnetron sputtering method under various RF power, substrates and oxygen partial pressure. Elliptic constants were measured by using a phase modulated spectroscopic ellipsometer and analyzed with the Tauc-Lorentz dispersion formula and best f...
$Ta_{2}O_{5}$ thin films were deposited by RF magnetron sputtering method under various RF power, substrates and oxygen partial pressure. Elliptic constants were measured by using a phase modulated spectroscopic ellipsometer and analyzed with the Tauc-Lorentz dispersion formula and best fit method in the range of 310$\sim$1239 nm. Also, transmittance spectra of the films were measured by UV -Vis spectrophotometer in the range of 300$\sim$1000 nm. From these data, thickness of $Ta_{2}O_{5}$ and surface layer were analyzed and changes of magnitude and shape of dispersion of optical constants according to fabricated conditions were measured. Also, to evaluate thickness and optical constants data analyzed by Tauc-Lorentz dispersion formula, the measured and analyzed transmittance spectra were compared. In result of the comparison, two spectra were in good agreement each other. Accordingly, it indicates that our ellipsometric analysis is valid.
$Ta_{2}O_{5}$ thin films were deposited by RF magnetron sputtering method under various RF power, substrates and oxygen partial pressure. Elliptic constants were measured by using a phase modulated spectroscopic ellipsometer and analyzed with the Tauc-Lorentz dispersion formula and best fit method in the range of 310$\sim$1239 nm. Also, transmittance spectra of the films were measured by UV -Vis spectrophotometer in the range of 300$\sim$1000 nm. From these data, thickness of $Ta_{2}O_{5}$ and surface layer were analyzed and changes of magnitude and shape of dispersion of optical constants according to fabricated conditions were measured. Also, to evaluate thickness and optical constants data analyzed by Tauc-Lorentz dispersion formula, the measured and analyzed transmittance spectra were compared. In result of the comparison, two spectra were in good agreement each other. Accordingly, it indicates that our ellipsometric analysis is valid.
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제안 방법
본 연구에서는 RF 파워, 기판의 종류, 산소분압비의 다양한 제작조건으로 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 Ta2O5 박막을 제작하였다. 제작된 Ta2O5 박막의 분석을 위해 위상변조방식의 분광타원계 [8T0]를 이용하여 타원 상수를 1.
박막을 제작하였다. 제작된 Ta2O5 박막의 분석을 위해 위상변조방식의 분광타원계 [8T0]를 이용하여 타원 상수를 1.0~4.0eV 영역에 걸쳐 측정하였고, Tauc- Lorentz 분산관계식 [10T2]을 이용하여 박막의 두께와 광학 상수를 분석하여 그 결과에 대해 논의 하였다. 또한 분산관계식에 의해 결정된 박막의 두께, 광학상수를 이용하여 얻은 투과율 스펙트럼을 UV-Vis 분광광도계에 의해 측정된 값과 비교하여 타원상수 분석을 통해 얻은 두께와 광학 상수를 평가하였다.
0eV 영역에 걸쳐 측정하였고, Tauc- Lorentz 분산관계식 [10T2]을 이용하여 박막의 두께와 광학 상수를 분석하여 그 결과에 대해 논의 하였다. 또한 분산관계식에 의해 결정된 박막의 두께, 광학상수를 이용하여 얻은 투과율 스펙트럼을 UV-Vis 분광광도계에 의해 측정된 값과 비교하여 타원상수 분석을 통해 얻은 두께와 광학 상수를 평가하였다.
발생시켰다. 제작조건에 따른 박막의 광학적 특성의 변화를 조사하기 위해 RF 파워, 기판의 종류(Si, glass, A12O3), 산소분압비 (O/Ar+O2)를 제작 조건으로 하여 박막을 제작하였다. 제작시 기판의 온도는 상온으로 하였으며 Table 1과 Table 2에 박막의 스퍼터 링 조건과 제작조건을 나타내었다.
본 연구에서는 Tauc-Lorentz(TL) 분산관계식을 이용하여 1.0~4.0 eV에 대응하는 Ta2O5 박막의 광학상수, 유효 두께, void 및 분산관계식의 변수들을 결정하였다. 시료의 기판으로 사용된 Si, glass, AI2O3의 광학상수는 Jobin- Yvon 사에서 제공된 값을 사용하였다.
제작된 시료의 투과율은 UV-Vis 분광광도계(Scinco, S-3100X 사용하여, 300~1000 nm의 파장영역에 걸쳐 측정하였고, 측정입사각은 0°로 고정하였다.
Tauc-Lorentz 분산관계식을 이용한 타원상수 분석을 통해 얻은 두께와 광학상수의 타당성을 검증하기 위해 투과율 스펙트럼을 측정하였다. Fig.
본 연구에서는 RF 마그네트론 스퍼터링 시스템을 이용하여 Ta2O5 박막을 제작하였고, 분광타원법을 이용하여 다양한 제작조건에 따른 박막의 두께 및 광학상수를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
시료의 기판으로 사용된 Si, glass, AI2O3의 광학상수는 Jobin- Yvon 사에서 제공된 값을 사용하였다. 시료의 분석모형은 표면 거칠 기층/박막/기판의 구조로 하였다. 분석변수는 두께, Tam와 void 비율 그리고 분산관계식의 변수들을 분석변수로 지정하였고, Bruggerman의 EMA 근사식을 이용하여 Ta2O5 박막의 광학상수를 결정하였다 [9, 10],
대상 데이터
시료의 제작에 사용된 스퍼터링 장치는 RF 마크 네트론 스퍼터링 시스템(태백진공)으로 진공을 형성하고 유지시키는 진공 시스템과 타겟, RF 전원공급장치, 기판홀더, 가스주입 장치, 온도조절장치로 구성되어 있다.
위상변조방식이다. 광원으로는 출력이 75W이고 파장 영역이 260~1700 nm인 제논 아크등을 사용하였다. 광측정장치로는 초점거리가 460 mm이고 1200 grooves/mm 격자를 갖는 분광기(Jobin-Yvon, HR 460)를 사용하였다.
광원으로는 출력이 75W이고 파장 영역이 260~1700 nm인 제논 아크등을 사용하였다. 광측정장치로는 초점거리가 460 mm이고 1200 grooves/mm 격자를 갖는 분광기(Jobin-Yvon, HR 460)를 사용하였다. 시료의 표면에 대한 입사각은 glass, Al203(0001) 기판에 제작된 박막은 65#로, Si(100) 기판에 제작된 박막은 70° 로 하였으며 스펙트럼의 측정범위는 1.
광측정장치로는 초점거리가 460 mm이고 1200 grooves/mm 격자를 갖는 분광기(Jobin-Yvon, HR 460)를 사용하였다. 시료의 표면에 대한 입사각은 glass, Al203(0001) 기판에 제작된 박막은 65#로, Si(100) 기판에 제작된 박막은 70° 로 하였으며 스펙트럼의 측정범위는 1.0~4.0eV(310~ 1239 nm)에 걸쳐 측정되었다.
0 eV에 대응하는 Ta2O5 박막의 광학상수, 유효 두께, void 및 분산관계식의 변수들을 결정하였다. 시료의 기판으로 사용된 Si, glass, AI2O3의 광학상수는 Jobin- Yvon 사에서 제공된 값을 사용하였다. 시료의 분석모형은 표면 거칠 기층/박막/기판의 구조로 하였다.
분산관계식을 이용하였다. 다양한 기판(Si, glass, AI2O3)에 80, 100, 120 W의 RF 파워로 30분, 60분 동안 성장된 Tag 박막의 분석결과를 Table 3과 Fig. 1에 나타내었다. Table 3과 Fig.
이러한 결과는 glass 기판에서 성장된 박막의 조밀도가 박막의 두께가 증가함에 따라 다른 기판에서 성장된 박막의 조밀도 보다 낮아짐을 의미하며 기판의 결정구조에 의한 영향으로 생각된다. 본 연구에 사용된 Si(100) 기판의 결정구조는 입방정계 구조를 가지고 있으며 Al203(0001) 기판은 hexagonal 구조를, glass는 비정질 구조를 가지고 있다. 박막의 초기 성장특성은 기판의 결정구조에 크게 영향 받으며 기판의 결정구조에 따라 성장하는 박막의 미세구조가 달라진다 [5, 13].
이론/모형
시료의 분석모형은 표면 거칠 기층/박막/기판의 구조로 하였다. 분석변수는 두께, Tam와 void 비율 그리고 분산관계식의 변수들을 분석변수로 지정하였고, Bruggerman의 EMA 근사식을 이용하여 Ta2O5 박막의 광학상수를 결정하였다 [9, 10],
본 연구에 사용된 TL 분산관계식은 Forouhi -Bloomer 분산관계식의 수정 모델이며, Lorentz 모델과 Tauc의 joint density of state의 개념을 덧붙인 모델이다. TL 분산관계식은 비정질 물질의 분석에 많이 활용되고 있으며, 유전함수는 다음과 같이 표현된다.
제작된 Ta2O6 박막의 타원상수에 대한 최적맞춤은 Tauc-Lorentz 분산관계식을 이용하였다. 다양한 기판(Si, glass, AI2O3)에 80, 100, 120 W의 RF 파워로 30분, 60분 동안 성장된 Tag 박막의 분석결과를 Table 3과 Fig.
성능/효과
2는 RF 파워 80W에서 Si(100), glass, Al203(0001) 기판에 증착된 박막들의 성장시간에 따른 굴절률 스펙트럼의 변화를 나타낸 그림이다. Fig. 2의 결과에서는 Si, A12O3 기판에 증착된 박막들의 굴절률은 성장시간이 30분에서 60분으로 증가함에 따라 굴절률은 전 에너지 영역에 걸쳐 증가하였으나 glass 기판에 증착된 박막에서는 성장 시간이 증가함에 따라 굴절률은 아주 근소하게 작게 나타났다. 이러한 결과는 glass 기판에서 성장된 박막의 조밀도가 박막의 두께가 증가함에 따라 다른 기판에서 성장된 박막의 조밀도 보다 낮아짐을 의미하며 기판의 결정구조에 의한 영향으로 생각된다.
3은 RF 파워 80 W에서 30분 60분 동안 증착된 박막들의 기판의 종류에 따른 굴절률 스펙트럼의 변화를 나타낸 그림이다. Fig. 3의 결과에서 알 수 있듯이 성장시간이 30분 일 때는 기판에 따른 굴절률의 차이는 매우 작았으나 성장시간이 60분일 때는 전 에너지 영역에 걸쳐 굴절률의 차이가 커졌으며 glass 기판에 성장된 박막의 굴절률이 가장 작게 나타났다. 이러한 결과는 앞서 언급한 바와 같이 박막의 두께가 증가함에 따라 glass 기판에 성장된 박막의 조밀도가 다른 기판에 비해 상대적으로 낮아지기 때문인 것으로 생각된다.
4는 다양한 기판에 60분 동안 증착된 박막의 RF 파워에 따른 굴절률 스펙트럼을 나타낸 그림이다. Fig. 4의 결과에 따르면 RF 파워가 증가함에 따라 박막의 굴절률은 전 에너지 영역에 걸쳐 작아졌으며 굴절률의 차이는 A12O3 기판에 증착된 박막에서 가장 크게 나타났다. RF 파워에 따른 굴절률의 변화는 Si 기판에 증착된 박막의 경우 100 W와 120 W에서는 거의 같았으며 glass와 A12O3 기판에 증착된 박막에서는 100 W에서 증착된 박막의 굴절률이 가장 작게 나타났고, 80 W에서 증착된 박막의 굴절률은 모든 기판에서 가장 크게 나타났다.
4의 결과에 따르면 RF 파워가 증가함에 따라 박막의 굴절률은 전 에너지 영역에 걸쳐 작아졌으며 굴절률의 차이는 A12O3 기판에 증착된 박막에서 가장 크게 나타났다. RF 파워에 따른 굴절률의 변화는 Si 기판에 증착된 박막의 경우 100 W와 120 W에서는 거의 같았으며 glass와 A12O3 기판에 증착된 박막에서는 100 W에서 증착된 박막의 굴절률이 가장 작게 나타났고, 80 W에서 증착된 박막의 굴절률은 모든 기판에서 가장 크게 나타났다. 또한 glass 기판에 증착된 박막의 굴절률이 다른 기판에 증착된 박막의 굴절률 보다 모든 파워에서 작게 조사되었으며 분산형태의 변화도 가장 심하게 나타났다.
RF 파워에 따른 굴절률의 변화는 Si 기판에 증착된 박막의 경우 100 W와 120 W에서는 거의 같았으며 glass와 A12O3 기판에 증착된 박막에서는 100 W에서 증착된 박막의 굴절률이 가장 작게 나타났고, 80 W에서 증착된 박막의 굴절률은 모든 기판에서 가장 크게 나타났다. 또한 glass 기판에 증착된 박막의 굴절률이 다른 기판에 증착된 박막의 굴절률 보다 모든 파워에서 작게 조사되었으며 분산형태의 변화도 가장 심하게 나타났다. 이러한 결과들을 Table 3과 Fig.
박막들의 분석결과이다. 표면층의 공극 비율은 glass기판에 성장된 박막에서 다른 기판에 비해 다소 높게 나타났으며 표면층의 두께는 모든 기판에서 산소분압비가 15% 일 때 가장 높게 나타났으며 그 중 Si 기판에 증착된 박막의 표면층의 두께는 19.9nm로 가장 크게 조사되었다.
5는 RF 파워 120 W에서 증착된 박막의 산소분압비에 따른 굴절률 스펙트럼이다. Fig. 5의 결과에서는 Si, AI2O3 기판에 증착된 박막들의 산소분압비에 따른 굴절률은 산소분압비가 5 %일 때 가장 크게 나타났으며 산소분압 비가 증가할수록 굴절률은 산소분압비가 0 %일 때 보다 작아졌다. 산소분압비가 5 %일 때 굴절률이 다른 산소분압비에서 보다 증가한 이유는 5 %의 산소분압비에서 증착된 박막이 화학량론적으로 가장 안정하기 때문으로 생각되며 산소분압 비가 5 % 이상이 었을 때는 박막 내에 산소가 과잉 되어 굴절률이 감소한 것으로 생각된다.
RF 파워, 산소분압비, 기판의 결정구조에 따른 Ta2O5 박막의 굴절률 스펙트럼의 변화를 분석한 결과 Ta2O5 박막의 굴절률 스펙트럼이 제작 조건에 의한 미세구조 및 원소 조성비의 변화에 기인하여 굴절률의 크기와 분산형태가 달라짐을 알 수 있었다. 또한 투과율 스펙트럼의 비교결과 측정 투과율과 분석 투과율이 모든 시료에서 좋은 일치를 보여 타원 상수 분석을 통해 얻은 두께와 광학상수가 타당함을 보였다.
알 수 있었다. 또한 투과율 스펙트럼의 비교결과 측정 투과율과 분석 투과율이 모든 시료에서 좋은 일치를 보여 타원 상수 분석을 통해 얻은 두께와 광학상수가 타당함을 보였다.
참고문헌 (13)
E. Atanassova and D. Spassov, Appl. Surf. Sci. 135, 71 (1998)
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