[논문]얇은 다공 구조 박막에서의 두께에 따른 박막 저항 변화

송아리; 김철성; 고태준

doi:10.4283/jkms.2012.22.1.006

초록
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본 연구에서는 인산 용액 하에서 2차 양극 산화 기법에 의해 제작된 양극 산화 알루미나 기판 상에 최대 13 nm 두께의 얇은 니켈 박막을 증착하며 증착 시 박막 두께에 따라 감소하는 박막의 저항 변화를 살펴보았다. 양극 산화 알루미나 막 표면에 존재하는 미세 기공 구조를 따라 증착된 니켈 박막 역시 다공 구조의 박막으로 성장하게 되며 증착된 박막의 두께 범위 내에서 박막의 저항은 $150k{\Omega}$ 이상의 값을 보이면서 박막 두께에 따른 저항의 감소가 매우 천천히 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 측정된 저항 값은 기존에 보고된 균일한 기판 상에 증착된 동일 두께의 니켈 박막에 비해 매우 큼을 볼 수 있었으며 기판 표면에 존재하는 기공 구조에 의해 핵자가 형성될 수 있는 표면 면적 비가 박막 성장을 설명하는 스미기(percolation) 현상이론에서 예측하는 임계 값보다 매우 적어 미세 기공에 의해 박막의 성장과 함께 나타나는 전자 전도 채널의 형성이 저해됨으로 이해될 수 있다. 이와 함께 기존의 박막 두께에 따른 비저항 모델과 비교해 보았을 때 미세 기공의 경계에서 나타나는 전자 산란 현상 역시 박막저항의 증가에 기여함을 알 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

We have observed the change in the film resistance of thin nickel film up to 13 nm, which is deposited on a porous anodic alumina substrate, prepared by two-step anodization technique under phosphoric acid. The resulting film grows as a porous film, following the pore structure on the surface of the...

We have observed the change in the film resistance of thin nickel film up to 13 nm, which is deposited on a porous anodic alumina substrate, prepared by two-step anodization technique under phosphoric acid. The resulting film grows as a porous film, following the pore structure on the surface of the alumina substrate, and the value of the resistance lies above $150k{\Omega}$ within the range of thickness studied here, decreasing very slowly with the film thickness. The observed resistance value is much higher than the reported value of a uniform film at the same thickness. Since the observed value of the surface coverage with the pores is smaller than the critical value, expected from the percolation theory, the pore structure limits the formation of conduction channel across the film. In addition, by comparing to the typical model of thickness-dependent resistivity, we expect that the scattering at the pore edge further increases the film resistance.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 양극산화 기법으로 제작된 다공성 알루미나 기판 상에 얇은 니켈 박막을 증착한 후 두께에 따른 박막 저항의 변화를 살펴보았다. 두께에 따른 다공구조 박막의 저항은 박막 성장 과정에 따라 감소하는 것을 볼 수 있으나 구체적인 두께에 따른 저항의 변화는 균일한 기판에서의 박막 저항 변화와 확연히 다른 것을 확인할 수 있었다.

제안 방법

9995 %)을 25 mm × 25 mm 크기로 절단한 후 양극산화에 앞서 표면처리를 진행하였다. 고운 사포로 물리적 연마과정을 거친 후 아세톤에 넣어 7분간 초음파 세척하였으며 이 후 표면의 거칠기와 자연산화피막을 제거하기 위해, 알루미늄 포일을 양극판으로, 2.5 mm 두께의 흑연(Alfar Aesar, 99.95 %)을 음극판으로 사용하여 에탄올/과염소산 용액 안에서 18 V의 전압으로 5분간 전해 연마를 진행하였다. 양극 산화를 위해 0.
균일한 알루미나 다공구조를 형성시키기 위해 양극산화과정을 두 차례로 진행하였으며 알루미늄 포일과 흑연판사이의 간격을 5 cm로 유지시키고 1차 양극 산화 과정은 160 V에서 한 시간 동안 진행되었다. 이후 이 과정을 통해 표면에 생성된 초기 알루미나 막은 크롬산/인산 혼합용액(Cr₂O₃+ H₃PO₄)을 이용하여 60℃에서 3시간 동안 담가 용출시켰다.
다공성 알루미나 기판 제작을 위하여 0.5 mm의 두께를 갖는 고순도의 평평한 알루미늄 포일(Alfar Aesar, 99.9995 %)을 25 mm × 25 mm 크기로 절단한 후 양극산화에 앞서 표면처리를 진행하였다.
본 연구에서는 2차에 걸친 양극산화 과정을 통해 나노미터크기의 기공 구조를 지닌 양극 산화 알루미나 기판을 제작하고 이를 이용하여 얇은 두께의 다공 구조 니켈 박막을 증착하였다. 또한 증착 시 두께에 따라 변화하는 박막의 저항을 관찰하며 이를 통해 기판 표면에 존재하는 미세 기공 구조가 박막의 성장 및 전자 전도 채널 형성에 미치는 영향을 살펴볼 수 있었다.
본 연구에서는 2차에 걸친 양극산화 과정을 통해 나노미터크기의 기공 구조를 지닌 양극 산화 알루미나 기판을 제작하고 이를 이용하여 얇은 두께의 다공 구조 니켈 박막을 증착하였다. 또한 증착 시 두께에 따라 변화하는 박막의 저항을 관찰하며 이를 통해 기판 표면에 존재하는 미세 기공 구조가 박막의 성장 및 전자 전도 채널 형성에 미치는 영향을 살펴볼 수 있었다.
이와 함께 박막의 두께가 충분히 증가한 후(d ≥ 6 nm) 두께에 따른 저항과 두께의 곱, Rd 값의 변화를 살펴보았다.
증착되는 박막의 두께는 수정진동자 마이크로밸런스로 측정되었으며 약 1 Å 정도의 박막 두께가 증가할 때마다 박막의 I-V 곡선을 4-terminal DC 기법으로 측정하였고 그 기울기를 통해 박막의 저항을 결정하였다(Fig.

성능/효과

본 논문에서는 양극산화 기법으로 제작된 다공성 알루미나 기판 상에 얇은 니켈 박막을 증착한 후 두께에 따른 박막 저항의 변화를 살펴보았다. 두께에 따른 다공구조 박막의 저항은 박막 성장 과정에 따라 감소하는 것을 볼 수 있으나 구체적인 두께에 따른 저항의 변화는 균일한 기판에서의 박막 저항 변화와 확연히 다른 것을 확인할 수 있었다. 이러한 차이는 스미기(percolation) 현상이론에 비추어 기판 표면에 존재하는 기공에 의해 핵자 형성자리가 제한되어 전자 전도채널의 형성이 균일한 기판에 비해 쉽지 않은 것을 나타내며 동시에 기공 경계에서의 전자 산란 현상이 다공 구조에서의 박막 저항의 증가를 유도함에 기인한다.
1(c)) 길이 l, 너비 w, 그리고 두께 d인 박막의 저항 R은 물질의 비저항 ρ를 통해 R = ρl/wd로 표현되며 사전에 패터닝된 Au/Ge 전극의 배열을 통해 증착된 박막의 길이와 너비는 같게 되어 박막의 저항은 두께에만 의존하여 변화하게 된다. 모든 측정은 진공 상태에서 진행됨으로 증착된 박막 간의 계면에 생성될 수 있는 자연 산화피막 형성과 외부에 노출되어 생길 수 있는 오염을 방지할 수 있었다.
벌크 니켈의 고유한 비저항 값[14]을 통해 A0의 값을 70 Ωnm로 고정하고 측정된 Rd 값을 위의 관계에 최소자승법으로 맞추었을 때 A1과 A3의 값은 각각 5.5 × 10−9Ωnm2과 4.6 × 109Ωnm4 임을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비정질의 기판에서 증착된 금속 박막에 일어나는 현상은?	얇은 금속 박막은 이차원에서의 전자 시스템의 거동과 초전도체-절연체 전이와 같은 상전이 현상을 살펴볼 수 있게 하며 동시에 반도체 등 다양한 기술 분야에서 매우 중요한 역할을 해 오고 있다[1, 2]. 특히 비정질의 기판에 증착된 금속 박막의 경우 기판에 입사되는 금속 원자의 표면에서의 흡착은 무작위로 이루어지게 되며 박막 두께의 증가에 따라 기판 표면에 존재하는 금속 영역의 증가와 함께 박막의 전기저항의 변화를 유도하게 된다. 특히 증착 시기판의 온도 또는 기판 표면의 형상은 박막 형성 및 이에 따른 박막의 전기 전도에 큰 영향을 미치게 된다[3].
	금속 박막의 성장은 무엇인가?	금속 박막의 성장은 표면에서 나타나는 대표적인 물리적 현상의 하나이며 얇은 박막에서의 전기 전도를 결정짓는 중요한 요소 중의 하나이다. 얇은 금속 박막은 이차원에서의 전자 시스템의 거동과 초전도체-절연체 전이와 같은 상전이 현상을 살펴볼 수 있게 하며 동시에 반도체 등 다양한 기술 분야에서 매우 중요한 역할을 해 오고 있다[1, 2].
	나노구조 제작방식 중 새로 관심 받고 있는 방식이 무엇이며 그 이유는 무엇인가?	이러한 미세 구조의 접근을 가능하게 하는 나노구조 제작방식 중의 하나로 양극산화 알루미나 막에 큰 관심을 보이고 있다. 기존의 대표적인 전자빔 패턴 방식에 비해 보다 접근이 용이한 화학적 양극산화 반응을 통해 제작되는 양극 산화 알루미나 막의 경우 고집적도의 균일한 나노미터 스케일의 기공구조를 가지게 되며 기공 크기가 사용되는 전해질 등 양극산화 조건에 의해 쉽게 조절 가능하다는 장점을 가지고 있다[6].

참고문헌 (15)

D. B. Haviland, Y. Liu, and A. M. Goldman, Phys. Rev. Lett. 62, 2180 (1989).

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Taejoon Kouh and J. M. Valles, Phys. Rev. B 67, 140506 (2003).

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M. Ohring, The Materials Science of Thin Films, Academic, San Diego (1991).
M. D. Stewart, Jr., Aijun Yin, J. M. Xu, and James M. Valles, Jr., Science 318, 1273 (2007).

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S. M. Hollen, H. Q. Nguyen, E. Rudisaile, M. D. Stewart, Jr., J. Shainline, J. M. Xu, and J. M. Valles, Phys. Rev. B 84, 064528 (2011).

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Hideki Masuda and Kenji Fukuda, Science 268, 1466 (1995).

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S. Kirkpatrick, Rev. Mod. Phys. 45, 574 (1973).

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Aharon Kapitulnik and Guy Deutscher, Phys. Rev. Lett. 49, 1444 (1982).

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G. E. Pike and C. H. Seager, Phys. Rev. B 10, 1421 (1974).

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N. T. Liang, Yueh Shan, and Shou-yih Wang, Phys. Rev. Lett. 37, 526 (1976).

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M. A. Dubson and J. C. Garland, Phys. Rev. B 32, 7621 (1985).

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L. Cheriet, H. H. Helbig, and S. Arajs, Phys. Rev. B 39, 9828 (1989).

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H.-U. Finzel and P. Wissmann, Ann. Phys. 498, 5 (1986).

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C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, John Wiley & Sons, Hoboken (1986).
J. A. Thornton, Annu. Rev. Mater. Sci. 7, 239 (1977).

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