이학석사학위 청구논문

으로 증착한 박막의Magnetron sputtering Au

온도에 따른 와 표면거칠기annealing grain size

및 전도도

The annealing temperature dependence of surface characters

of Au thin films deposited by using magnetron sputter

2007 8年 月

인하대학교 대학원

물리학과 이론 및 물성물리 전공( )

최 혁 철

- 2 -

이학석사학위 청구논문

으로 증착한 박막의Magnetron sputtering Au

온도에 따른 와 표면거칠기annealing grain size

및 전도도

The annealing temperature dependence of surface characters

of Au thin films deposited by using magnetron sputter

2007 8年 月

지도교수 유천열

이 논문을 석사학위 논문으로 제출함

인하대학교대학원

물리학과 이론 및 물성물리 전공( )

최 혁 철

이 논문을 최혁철의 석사학위 논문으로 인정함.

2007 8年 月

주심

부심

위원

요 약

본 연구에서는 방법을 사용하여 박막을 증착DC magnetron sputtering

하였다 또는 기판위에 을 또는 를. Si(111) Si(100) Au 30 nm Ta/Au 5

의 두께로 각각 증착한 후 온도에 따른nm/30 nm annealing Au grain

의 변화와 표면거칠기 및 전기전도도를 연구하였다size .

그 결과 의 온도가 증가함에 따라 시료의 가 증가하annealing grain size

였고 박막 표면거칠기 또한 증가함을 확인하였다 보다 구. Si/Au Si/Ta/Au

조에서 그리고 기판보다 기판위에서 와 표면, Si(111) Si(100) grain size

거칠기가 향상되었다 구조에 의 얇은 를 삽입. Si(100)/Au Ta buffer layer

하여 표면거칠기 정도를 낮춤과 동시에 온도를 적절히 조절하annealing

여 를 증가시킴으로서 전도성이 우수한 양질의 박막을 예상grain size Au

할 수 있었다.

Abstract

In this paper, we fabricated thin films with the dc magnetron

sputtering system. We deposited Au thin-films by 30 nm or Ta/Au

by 5 nm/30 nm on Si(100) or Si(111) substrates. We measured the

Au grain sizes, roughness and conductivity as a function of the

annealing temperatures.

We observed that the grain size of samples enlarged and the

surface became rougher with increasing the annealing temperature.

The grain size and roughness were improved in the structure of

Si/Ta/Au than Si/Au, and the Si(100) substrate was more effective

for improving the grain size and roughness in Ta/Au system than

Si(111) substrate. We reduced the roughness by inserting a Ta

buffer layer in Si(100)/Au, and enlarged the grain size by adjusting

the annealing temperature. So we were able to make the Au

thin-film to have a good conductivity.

목 차

서론I. ············································································································ 1

본론II. ··········································································································· 2

이론적 배경1. ························································································· 2

표면에너지1.1 ····················································································· 2

결정립성장1.2 ····················································································· 5

전기전도도1.3 ····················································································· 6

시료 제작2. ··························································································· 12

증착장비2.1 ······················································································· 12

박막 시료 제작2.2 Au ····································································· 13

박막 두께2.3 calibration ······························································· 16

측정 및 분석3. ····················································································· 20

측정법에 의한 측정3.1 XRD grain size ································· 20

을 이용한 표면거칠기 측정3.2 AFM ············································ 25

측정3.3 4-point probe ································································· 30

결과 및 논의III. ······················································································· 34

결정립 크기1. ····················································································· 34

표면거칠기2. ······················································································· 35

전기전도도3. ······················································································· 36

결론IV. ······································································································· 38

참고문헌V. ································································································ 40

- 1 -

서론I.

우수한 전도성과 내산화성으로 널리 사용되는 박막의 전도성은 박막Au

의 증착조건에 따라 달라진다 증착 조건에 의해 가 달라지면. grain size

가 산란의 주요원인으로 작용하기 때문에 박막의 전도도grain boundary

는 의 크기에 영향을 받게 된다 또 얇은 박막의 경우 표면이grain size .

나 계면 상태에 따라서 전자의 산란 정도가 달라지는데 거친 표면이나 계

면일수록 더 큰 산란을 만들어내어 전기전도도를 감소시킨다.

본 연구에서는 을 사용하여 또는magnetron sputtering system Si(111)

기판위에 을 또는 를 의 두께로 각Si(100) Au 30 nm Ta/Au 5 nm/30 nm

각 증착한 후 일정 시간을 온도에 따라 을 하여 박막 시료를annealing Au

제작하였다 먼저 시료의 제작에 앞서 원하고자 하는 시료를 일정두께로.

증착하기 위해 방법을 이용하여 두께XRR(x-ray reflectivity) calibration

작업을 진행하였다 그 후 제작된 시료의 의 변화를 알아보기. grain size

위해 XRD(x-ray diffraction)장비의 측정법으로 박막rocking-curve Au

의 를 측정하였으며 장비를 이grain size AFM(atomic force microscopy)

용하여 시료의 표면거칠기를 확인하였다 그리고 각각 제작된 시료들에.

대해 측정법으로 시료의 저항을 측정하여 전기전도도를4-point probe

계산하였다 그리하여 증착 기판과 구조 그리고 적정 온도에서의.

을 통하여 박막의 가장 효율적인 전기전도성을 갖는 조건을annealing Au

구하고자 하였다.

- 2 -

본론II.

이론적 배경1.

증착 은 보통 단계를 거친다 입사되는 원자나 분자는 우선(deposition) 6 . 1)

표면에 흡착을 한다 그리고 흡착된 원자나 분자들은 박막으로 결합되기 전.

에 얼마의 거리를 확산한다 결합이 되면 서로 흡착된 물질과 박막 물질2) . 3)

의 결합을 형성하는 표면 사이에 반응이 일어난다 박막 물질의 초기 집합. 4)

체를 핵생성 이라고 부르는데 박막이 점점 두껍게 쌓이면 이(nucleation) 5)

초기 집합체들이 어떤 구조나 조직 형태로 발전되어 거칠기 형태와 결정을

나타낸다 박막의 결정은 비정질에서 다결정 단결정로 배열하게 되는데 단. ,

결정은 켜쌓기 에 의해서 얻어진다 마지막으로 확산의 상호작용(epitaxy) . 6)

은 기판과 박막의 덩어리 안에서 일어난다 이런 상호작용은 증착이 계(bulk) .

속해서 진행되는 표면 바로 밑에서 일어나기 때문에 증착 후 과 비annealing

슷한 현상을 나타낸다 때때로 증착 후 박막의 열적 처리가 박막의 성질을 바.

꾸는 작업으로 수행된다.

따라서 일련의 증착 과정 중 실험 주제에 가장 많이 다뤄지는 결정립 성장

표면거칠기 결정립 성장과 연관된 표면에너지(grain growth), (roughness),

그리고 표면거칠기에 따른 전기전도도에 관해서 간략히(surface energy)

알아보고자 한다.

표면에너지1.1 (Surface energy)1)

인 고체에서 표면 깁스 자유 에너지 는 표면T > 0 K , (Gibbs free energy)

무질서도와 연관된 엔트로피 인자에 의해서 감소된다 이 경우 표면에너지는.

표면 탄성 변형 에 의해 형성되는데 응집상 의 분(strain) (condensed phase)

자들이 서로 끌어당기기 때문이다 즉 응집상안으로 운동이 발생하게 되어.

- 3 -

이 운동이 표면에너지를 최소화하는 방향으로 진행하게 된다 이 표면에너지.

는 종종 단위 면적당 표면에너지인 장력 으로 많이 표현한다 액체(tension) .

의 경우 장력( 이 고정된 값으로 면적 을 최소화하여 표면에너지) (A) ( 를*A)

최소화하나 고체 경우 표면 확산에 의해 스스로 최소화하는 방향으로 진행한

다 이러한 진행은 박막 구조 현상에서 잘 나타난다. .

박막 성장은 면적 와 장력(A) ( 에 따라 변화를 갖는다 면적 은 표면의 모) . (A)

양에 따라 변화하며 장력( 은 노출된 표면의 성질 즉 화학적 구성 결정학) , ,

적인 방향 원자의 재구성 원자 크기의 표면거칠기에 따라 박막 성장은 달라, ,

진다 특히 대부분의 결정 고체들은 결정학적 방향 성질인 이방성을 갖는다. .

때문에 표면에너지가 가장 낮은 방향으로 결정이 잘 성장된다.

외부 기판에 증착을 할 경우 결정핵생성 거동은 기판의 장력, ( 에 크게)

영향을 받는다. 기판의 자유 표면에너지( ), 박막과 기판 사이 계면의(

표면에너지), 박막의 자유 표면에너지 이 세 값은 일반적으로 결정학( )

적인 방향 비활성 그리고 그 밖의 다른 인자들에 영향을 받는다 충분한, .

표면 확산으로 증착 물질이 장력( 을 최소화하도록 스스로 재배열할 수)

있다고 가정한다면 즉 결정핵생성이 활동적으로 제한되지 않고 평형 상,

태로 다가갈 수 있다고 가정한다면 이 경우에는 확산 길이 원자( ) a(≫

의 지름 이어야 한다 반대로) . 인 경우 모든 원자가 증착된 곳에< a

고정되어 있고 성장 거동이 멈추고 성장이 멈추면 그들만의 특성을 갖는

박막 구조로 변화한다.

그림 1. Frank-van der Merwe growth mode (layer)

- 4 -

위의 그림은 의 경우로 박막이 기판에 현상을 보인다>> a ‘wetting' .

(1)

즉 기판에 대한 전체 표면에너지가 된 기판에 대한 전체 표면에, ‘wetting'

너지보다 더 높다 때문에 평탄하게 성장하고 원자들이 층층이. (layer by

쌓이게 된다 위 식의layer) . 를 감소시키기 위해서는 박막과 기판 사이

에 강한 결합이 있어야 한다 하지만 이러한 결합이 전혀 없다면.

로 박막이 기판위에 평탄하게 퍼지게 하려면 전체 표면에너지

가 2만큼 증가해야 한다 이 경우. 식이 성립되지 않는다.

그림 2. Volmer-Weber growth mode (island)

위의 그림 또한2 의 경우로 박막은 기판에 되지 않고a ‘wetting’≫

차원 형태를 띠게 된다3 island .

아래 그림은 연속적인 단층에서 변화하고 있으며 단층위의 성장이 layer

에서 로 변화하고 있다island .

그림 3. Stranski-Krastanov growth mode

위의 모드는 켜쌓기에서 볼 수 있다.

- 5 -

결정핵생성 은 보통 박막이 거칠어지고 균일성을 떨어뜨3D (nucleation)

리기 때문에 바람직하지 못하다 하지만. 를 조정하여, 을 만

족시키도록 성장으로 바꿀 수 있다 즉, 2D . 를 감소시켜 박막과 기판사

이의 화학적 반응으로 결합을 증가시킬 수 있다 충분한 화학적 반응이.

있다면 계면 사이의 결합이 충분히 일어날 수 있다 일반적으로 계면의.

결합은 같은 형태의 결합을 갖는 물질들 사이에서의 결합력보다 더 강하

다 예로 는 유리질 결합이 잘 일어나지 않는다 하지만 화학적. Au (glass) .

활성 금속인 은 의 결합을 끊고 유리질과 결합을 한다 그리고Cr O-Si . Au

는 과 강한 금속결합을 이루기 때문에 와 박막 사이에Cr glass Au “glue"

로 을 삽일할 경우layer Cr 를 감소시켜서 전체적으로 결합을 잘 이루게

되고 도 잘 일어나게 된다‘wetting’ .

또 이온 충격 과 스퍼터링 과 같은 에너지(ion bombardment) (sputtering)

증진 기술로 기판과 박막사이의 결합을 증진시키는(energy-enhanced)

활성에너지를 공급함으로서 를 감소를 시킬 수도 있다.

를 감소시켜 전체 표면에너지를 낮출 수도 있는데 표면활성제를 사용

하는 방법이 있으며 에너지 방사 로(energetic irradiation) 를 증가시켜

서 표면에 를 생성시켜 결합을 증가시킬 수도 있다dangling-bond .

결정립 성장1.2 (Grain growth)

결정립 성장의 구동력은 표면에너지 때문이다.

다음 그림 의 왼쪽 그래프는 박막 두께에 따른 를 나타낸4 Au grain size

것이고 오른쪽 그래프는 상온에서 시킨 박막의 시간에 따른annealing Au

차 를 나타낸 것이다2 grain size .2)

- 6 -

그림 박막 두께와 시간에 따른 결정립의 크기4.

보통의 방향성을 가진 결정립들 영역 이 있는 다결정 박막에서는 차( ) 2Ⅰ

결정립 성장 영역 이 일어나는데 이 차 결정립 성장의 구동력은 표면( ) 2Ⅲ

에너지 이방성 에 의존한다 즉 전체 계의(surface energy anisotropy) . ,

에너지가 최소화되기 위하여 표면에너지를 최소화하는 방향성을 가진 결,

정립들이 다른 방향성을 가진 결정립들을 소모하면서 성장을 한다. 3) 4)

과정은 회복 재결정 결정립 성annealing " (recovery)- (recrystallization)-

장 세 단계를 거친다 금속 박막에 열을 가하면 격자 내(grain growth)" .

에서의 원자의 움직임이 쉬워져 어긋나기 의 이동이 일어나고(dislocation)

에너지를 낮추는 방향으로 어긋나기의 재배열 소멸 등이 일어난다 이것, .

을 회복 이라고 한다 회복 후 시간이 지나면 새로운 결정립의(recovery) .

핵생성 과 성장 이 일어나게 되는데 이를 재결정이라(nucleation) (growth)

고 하며 재결정이 자라서 서로 만나게 되면 계면에너지를 줄이기 위해 서

로 합쳐지게 되는데 이를 결정립 성장이라고 한다 더 크게 자란 결정립.

이 더 작은 결정립을 소모하며 크게 성장하는 이유가 표면에너지를 낮추

기 위함이다.

전기전도도1.3 (Conductivity)

박막의 전기전도도는 전자 산란의 영향을 받는다.

- 7 -

박막 두께가 감소할수록 전도도는 금속의 전도도보다 낮아진다 이bulk .

는 박막 경계면의 충돌로 인해 전도전자의 평균자유거리(mean free

가 짧아지기 때문이다path) .

그림 얇은 박막일수록 전기전도도는 낮아진다5. .

매우 얇은 박막에 대해서는 이므로 거의 모든 전자들의 평균자유거

리가 표면에서 시작된다고 볼 수 있다 따라서.

≤ ≤ ≤ ≤ , (2)

로 표현할 수 있으며 표면에서 ∼사이의 각의 방향으로 진행하는

전자들의 수는 에 비례하게 된다 그래서 표면에서 진행하는 전자.

들의 자유거리의 평균값은

(3)

로 표현된다.

금속에서 에너지 를 갖는 전자들이 산란되는 확률을 단위시간bulk E dt

당 확률로 표현하면 로 나타낼 수 있다 또 표면에서 각으로 진dt/ (E) .τ θ

행하는 전자가 각으로 산란될 확률은 의 영향을 받지 않는다 이 때dw .θ

금속의 전기전도도는 다음과 같이 주어진다bulk .

(4)

- 8 -

( 단위부피당 전자의 개수: , 전자의 평균자유시간: , 평균자유거리: ,

분포의 표면에서의 전자의 속도: Fermi )

표면에서 임의의 산란을 고려한 박막의 전기전도도를 구해보면 박막의,

표면에서 거리 만큼 떨어진 곳의 단위부피당Z ∼사이의 속도를

갖는 전자의 개수를 라 한다면 시간에 개의dt N

전자 개수의 변화는 다음 가지로 표현할 수 있다3 .

축 방향의 전자의 운동1) Z

(5)

박막 내부에서의 산란2)

′′ (′: 에서의 면적소)전기장 내에서의 전자의 가속도3)

(6)

정상상태에서는 위 이 되므로1)+ 2)+ 3) = 0

′′

(7)

에서 전기장이 없는 경우에는 두 번째 항

을 무시할 수 있다 따라서. 이 되어 정리하면

(8)위 식(8)는 의 임의의 함수이다.

표면에서 어떤 각으로 산란되는 전자들의 수는 방향과 관련이 없다 그.

래서 전기장이 인 상태에서의 전자의 수는 에서의 전자의 수와 동0 bulk

- 9 -

일하다고 가정한다 그래서. 로 임의의 페르미 분포함수

로 표현된다 그리고 경계조건으로부터. 을 알 수 있다.

일 때 은 인 의 방향에 무관해야하며 은

의 절대값의 크기에 따라 변하기 때문에 이 조건은 다음을 만족한다.

마찬가지로 의 조건에서는

그래서

전류밀도와 평균전류밀도는 다음과 같이 주어진다.

(9)

에서 즉bulk , ∞ 일 때 전류밀도는 다음과 같다.

(10)

- 10 -

따라서 에 관해서 적분한 후 식을 식으로 나누면z (9) (10)

(11)( 박막의 전도도: , 벌크 금속의 전도도: , 평균자유거리: )

위의 식 에서(14) 페르미분포에서 전자의 최대운동에너지를,

라 하면 다음과 같이 표현된다.

(12)

∞

위 식 은 아래의 그래프로 나타난다(18) .5)

그림 세슘 박막의 두께에 따른 전도 특성6.

위의 그래프에서 , , 은 각각 박막의 전도도 벌크 금속의 전도도, ,

평균자유거리를 나타내며 는 박막두께t , 는 박막 표면에서 탄성 산란하

는 전자들의 비율을 나타낸다 세슘 박막인 경우. (caesium) 이=145nm

- 11 -

고 그래프에서 원형으로 표시되는 선이 64 에서 세슘 박막(caesium)

의 실험값을 나타낸 것이다.

완벽하게 평평한 표면의 경우 탄성 산란으로 금속의 전도도에 가깝bulk

다 그래서 아주 평평한 얇은 박막에서는.

∼

(13)

로 나타낼 수 있다.

- 12 -

시료 제작2.

증착 장비2.1

본 실험에는 그림 과 같은 를5, 6 dc magnetron sputtering chamber

사용하여 시료를 제작하였다 시료의 로딩 및 을 할 수 있는. ion milling

와 시료의 증착과 동시에 을 할 수 있는load-rock chamber annealing

로 구성이 되어 있다 진공도는 와main chamber . load-rock chamber

에 컴벡트론 게이지 바리트론 게이지 이온 게이지를 사용main chamber , ,

하여 체크할 수 있으며 각각 터보 펌프와 크라이오 펌프를 사용하여

는load-rock chamber 1.0×10-7 이하 는Torr , main chamber 1.0×10-9

이하의 진공도를 유지할 수 있다 내에는 모두 개의Torr . main chamber 7

의 장착 가능하며 각 에는sputtering gun gun Au, Si, Ta, Cu, Py, Cr,

의 이 장착되어 있다 그리고 증착 기판 위에 할로겐 램프와 온Fe target .

도 센서가 장착되어 있어 온도 조절이 가능하며 증착시 기판을 회전시켜

시료의 에 기여하도록 제작되어 있다uniformity .

그림 박막 증착에 사용한7. Au DC magneton sputtering system

- 13 -

그림 의 개략도8. UHV magneton sputtering system

박막 시료 제작2.2 Au

스퍼터링 방법은 챔버 외벽과 위의 사이에 전위를 걸어 챔gun target

버내부에 채워진 아르곤 기체를 글로방전시켜 플라즈마를 만들고 플라즈,

마에서 타겟으로 가속되는 아르곤 양이온을 타겟 물질에 충돌시켜 튀어나

오는 원자나 분자를 기판에 증착시키는 방법이다 본 실험에 사용된 스퍼.

터링 챔버는 구조상 과 기판 사이의 거리가 비교적 먼 편이며target ,

을 위한 디자인으로 과 기판이 수직이 아니므로 너무co-sputtering target

가깝게 하여 증착할 경우에는 박막의 두께가 고르지 못하게 되는 단점이

있다 따라서 증착시에는 기판을 회전시켜 박막의 두께를 고르게 하는데.

기여하도록 하였고 타겟과 기판사이의 거리 조정이 요구되었다.

스퍼터링 가스로는 고순도의 가스를 사용하였으며 잔류가스의 영향을Ar

- 14 -

최소화하기 위하여 챔버 내의 진공을 고진공으로 유지시켜 주었으며 증착

속도가 가 되도록 가스의 유량 증착압력 그리고 증착0.5~1.0 /sec ,Å

등의 증착조건을 조절하였다power .

시료제작에 사용한 기판은 널리 이용되고 있는 인치4 p-type Si wafer

이며, × 크기로 하여 사용하였다 절단된 시편은 실험에dicing .

사용되기 전에 클로로포름으로 초음파 세척하여 절단 중 기판에 부착된

류를 우선 제거 그 다음 아세톤으로 유기물질을 제거한 후 마지막으wax ,

로 알콜계 용매인 이소프로필의 사용으로 아세톤류를 제거하여 단계로3

클리닝 과정을 거쳤다(cleaning) .

증착2.2.1 (Depositon)

그림 시료 제작9.

와 은 각각 와 의 증착률로 또Au Ta 0.828 /sec 0.472 /sec Si(111)Å Å

는 기판위에 를 또는 를 의 구조로Si(100) Au 30 nm Ta/Au 5 nm/30 nm

- 15 -

증착되었다.

2.2.2 Annealing

아래 그림 은 법으로 증착된7. magnetron sputtering 두께의750 Å Au

박막시료를 에서 약 시간동안 시키면서 동시에150°C 1 annealing Bragg

을 측정한 것이다-Brentano Au(111) peak .6)

그림 에 따른 의 변화10. Annealing time grain size

가 에 대한 함수로 나타나고 있다grain size annealing time . annealing

이 진행됨에 따라서 가 점점 증가하여 약 시간 전후로time grain size 1

가 최대로 되어 포화상태에 이르게 된다grain size .

위와 같은 사실을 기초로 본 실험의 증착된 시료에 대해 각각의 일정 온

도에 따라 약 시간동안 을 진행하였다1 annealing .

- 16 -

박막 두께2.3 calibration

박막 두께는 측정 방법으로 하였다XRR calibration . 일반적으로 x-ray

실험은 시료의 결정 상태 등에 관한 정보를 얻는데 사용되지diffraction

만, 으로 약 부터 약scan low angle- 0.5 ~1.5 deg. 7~10 deg.

정도 을 측정하여 두께 및 측정이 가능하다- , roughness .

0 2 4 6

10

100

1000

10000

100000

Inte

nsity

2 θ

그림 전형적인 결과11. XRR

위 그림 은 실험의 전형적인 예로 축은8. x-ray x 이고 축은, y

의 이다 이때 이 그림에서 들은 바로 기판과 박막x-ray intensity . , peak

의 표면 사이의 간섭으로 인해서 생기는데 이 의 위치들은 다음과, peak

같은 관계식을 만족 시킨다.7)

(14)

- 17 -

여기서 y 는 의 경우 이고 의 경upper peak half integer , lower peak

우 값을 가진다integer . 는 의 파장으로 일반적으로 의 경우x-ray Cu

이다1.54056 . 1-Å 은 의 실수부이다refractive index . (은 매우 작

은 값, ~10-5 정도 이며 양의 값 또) 는 바로 우리가 구하고자 하는 박

막의 두께에 해당하는 값이다 따라서 우리가 실험에서 의 위치. peak ()

와 에 대해서 앞의 식을 사용해서 을 하게integer or half integer fitting

되면 미지의 수 와 를 구하게 된다 이때 여러 쌍의 값들이 실험 결과.

를 만족 시키는데 y 값 을 변화 시켜가면서 얻(integer or half integer)

는 값 중에서 의 물리적 조건 양수이며 매우 작은 값 이라는 사실을( )

이용하면 구하고자 하는, 값을 정확히 얻을 수 있다.

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

1.00

7.39

54.60

403.43

2.98k

22.03k

162.75k

1.20M

8.89M

Inte

nsity

2Theta(deg)

Au 6min

그림 분 증착한 박막의 측정 결과12. 6 Au XRR

- 18 -

-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5135.34m

1.00

7.3954.60

403.432.98k

22.03k

162.75k1.20M8.89M

Inte

nsity

Theta(deg)

Ta 11min

그림 분 증착한 박막의 측정 결과13. 11 Ta XRR

그림 와 은 와 을 각각 분과 분을 증착한 후 측정한9 10 Au Ta 6 11 XRR

결과 그래프이다 앞에서 언급한 방법으로 각각의 두께는. fitting 300.5

이었다 이와 같은 방법으로 각각 다른 시간동안 증착한 박, 316.7 .Å Å

막의 두께는 증착시간에 따라 선형적인 결과를 보인다 때문에 동일한 조.

건에서 증착되는 물질의 증착률을 구할 수 있으며 이렇게 구한 증착률로,

원하는 두께의 시료를 제작할 수 있었다.

다음 그래프에서 본 실험에서의 와 의 두께 결과가 각각Au Ta fitting

와 의 증착률을 보임을 알 수 있다0.828 /sec 0.472 /sec .Å Å

- 19 -

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 7000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

Thi

ckne

ss(1

0-1 n

m)

Time(sec)

Au Linear fit of Au

그림 14. 박막의 두께Au fitting

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 11000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Thi

ckne

ss(1

0-1 n

m)

Time(sec)

Ta Linear fit of Ta

그림 15. 박막의 두께Ta fitting

- 20 -

측정 및 분석3.

측정법에 의한 결정립크기 측정3.1 XRD (grain size)

측정은 주사회전축 에 따라 측정방법이 다르다XRD (scan axis) . Rocking

측정은 를 고정 카운터 하고 시료만 로 회전하며 측정하는-curve 2 ( )θ θ

방법으로 시편의 방향성의 정도를 알 수 있다 의 폭이 작. Rocking-curve

을수록 방향성이 크다는 것을 의미한다.

그림 의 측정16. XRD Rocking-curve

위의 의 측정법으로 의 크기를 알 수가 있XRD Rocking-curve grain size

다. 공식에 의해서 는Debye-Scherrer garin size

×

×(15)

로 주어진다 여기서. 는 grain size, 는 결정질 모양에 따른 상수값으

로 약 값을 갖는다0.9 . 는 파장으로 는 반측폭x-ray 1.54 , B (FWHMÅ

: full width at half max), θB는 을 나타낸다Bragg angle .8)9)

100 annealing℃

200 annealing℃

300 annealing℃

400 annealing℃

500 annealing℃

- 21 -

< Si(100)/Au >

100 200 300 400 5000.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

Gra

in si

ze(n

m)

Temperature(oC)

Si(100)/Au

그림 시료의 변화17. Si(100)/Au grain size

100 annealing℃

200 annealing℃

300 annealing℃

400 annealing℃

500 annealing℃

- 22 -

< Si(111)/Au >

100 200 300 400 5000.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

Gra

in s

ize(

nm)

Temperature(oC)

Si(111)/Au

그림 시료의 변화18. Si(111)/Au grain size

100 annealing℃

200 annealing℃

300 annealing℃

400 annealing℃

500 annealing℃

- 23 -

< Si(100)/Ta/Au >

100 150 200 250 300 350 4002.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.0

Gra

in s

ize(

nm)

Temperature(oC)

Si(100)/Ta/Au

그림 시료의 변화19. Si(100)/Ta/Au grain size

100 annealing℃

200 annealing℃

300 annealing℃

400 annealing℃

500 annealing℃

- 24 -

< Si(111)/Ta/Au >

100 150 200 250 300 350 400 4502.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

Gra

in s

ize(

nm)

Temperature(oC)

Si(111)/Ta/Au

그림 시료의 변화20. Si(111)/Ta/Au grain size

- 25 -

공식에 의하면 반측폭의 너비가 좁으면 좁을수록Debye-Scherrer grain

가 커진다 위의 그림들은 와 구조에서의size . Si//Au Si/Ta/Au Rocking

측정결과는 나타낸 것이다 전체적으로 온도가 증가할-curve . annealing

수록 반측폭의 너비가 좁아지고 보다 구조에서 반측폭의Si/Au Si/Ta/Au

너비가 현저히 좁아짐을 볼 수 있다.

구조에서Si/Ta/Au 400 이상의 경우 정확한 분석이 어려웠는데data℃

이는 측정시 박막 표면의 거칠기에 기인한 의 산란이 영향을XRD x-ray

주는 것으로 보인다 뒤의 내용에서 언급될 내용이지만 온도가. annealing

높아질수록 표면거칠기가 거칠어지는데 그로 인해 측정시 거친 표XRD

면은 의 신호에 영향을 미치기 때문에 가 현저히 줄어detector intensity

드는 것으로 볼 수 있다.

을 이용한 표면거칠기 측정3.2 AFM (roughness)

또는 구조에서는 가 산란의 주요원인으Si/Au Si/Ta/Au grain boundary

로 작용한다 그리고 에서의 평균자유거리가 약 된다는 사실을. Au 30 nm

기반으로 제작하는 박막 두께 또한 로 제한하였다 때문에 표면Au 30 nm .

에서의 전자의 산란 또한 박막 전도도에 영향을 미친다 표면의 거칠기가.

작을수록 전기전도성은 향상되며 그 위에 쌓이는 다른 물질의 결정성 또

한 향상되므로 본 실험에서는 박막의 표면을 관찰하는 과정이 필요했Au

다 그래서 표면 관찰에 많이 사용되는. AFM(atomic force microscopy)

을 이용하여 표면거칠기를 관찰하였다 다음 그림들은 또는. Si/Au

구조에서 온도에 따른 표면거칠기를 나타낸 것이다Si/Ta/Au annealing .

전반적으로 온도가 높아질수록 표면거칠기도 거칠어짐을 확인annealing

할 수 있다 모든 시료들이 약 를 기점으로 그 이상부터는 표면거. 300℃

칠기가 급격히 증가하였다.

℃ ℃

℃

℃℃

- 26 -

< Si(100)/Au >

100 200 300 400 500

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

Rou

ghne

ss(n

m)

Temperature(oC)

Si(100)/Au

그림 시료의 변화21. Si(100)/Au roughness

℃

℃

℃

℃

℃

- 27 -

< Si(111)/Au >

100 200 300 400 500

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

Rou

ghne

ss(n

m)

Temperature(oC)

Si(111)/Au

그림 시료의 변화22. Si(111)/Au roughness

℃

℃

℃

℃

℃

- 28 -

< Si(100)/Ta/Au >

100 200 300 400 500

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

Rou

ghne

ss(n

m)

Temperature(oC)

Si(100)/Ta/Au

그림 시료의 변화23. Si(100)/Ta/Au roughness

℃

℃

℃

℃

℃

- 29 -

< Si(111)/Ta/Au >

100 200 300 400 500

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

Rou

ghne

ss(n

m)

Temperature(oC)

Si(111)/Ta/Au

그림 시료의 변화24. Si(111)/Ta/Au roughness

- 30 -

측정3.2 4-point probe

의 을 유도하기 위해 전류 가4-point probe resistivity expression I

으로 들어가서 로 나온다고 가정할 때 우선 아주 큰 도probe 1 probe 4

체의 중심부에 전류가 흐를 때 전류가 흐르는 지점을 기준으로 일정거리

떨어진 곳의 전압 을 구하면, V

(16)

와 같이 표현된다 여기에서 는 도체의 비저항 은 전류가. (resistivity), rρ

흐르는 지점과의 거리 는 흐르는 전류값을 나타낸다, I .

에서 흘러 들어가는 전류와 에서Probe 1 Probe 4

흘러나오는 전류를 모두 고려하여 임의의 지점에

서의 전압식을 계산하면 다음과 같이 표현되며

(17)

식 에서(3) r1은 과의 거리probe 1 , r2는 probe

와의 거리를 나타낸다 구하고자 하는 비저항4 . ρ

는 각 이 같다고 가정을 하면probe pacing s1 =

s2 = s3 이므로 최종적으로 다음과 같이= s

표현된다.

(18)

하지만 반도체나 반도체 위의 얇은 도체 박막의 비저항을 계산할 때

를 정확히 보상해 주어야 정확한 비저항을 얻을 수 있Correction factor

다 는 일반적으로 시료의 두께 시료의 두께 시료의. Correction factor , ,

기하학적 구조를 고려하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

그림 형25. Collinear

4-point probe

- 31 -

(19)

여기서 시료 두께에 의한 시료 크기에F=F1*F2*F3 (F1 : factor, F2 :

의한 기하학적 구조에 의한 를 나타낸다factor, F3 : factor) .

그림 과 같이 대칭적인 기하학적 구조를 가3-7

지는 박막 시료의 경우에는

로 나타내

어진다 따라서.

(20)

로 표현된다 여기서 는 박막두께 는 도체의. t , ρ

비저항을 나타낸다.10)

그림 측정 시료26.

- 32 -

다음 그림들은 방법으로 측정한 각 시료들의 온4-point probe annealing

도에 대한 전기 저항값을 나타낸 것이다.

0 100 200 300 400 500

0

10

20

30

40

50

Res

isita

nce(

ohm

)

Temperature( oC)

Si(100)/Au

그림 시료의27. Si(100)/Au resistance

0 100 200 300 400 500

0

20

40

60

80

100

Res

isita

nce(

ohm

)

Temperature( oC)

Si(111)/Au

그림 시료의28. Si(111)/Au resistance

- 33 -

0 100 200 300 400 500

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Res

isita

nce(

ohm

)

Temperature( oC)

Si(100)/Ta/Au

그림 시료의29. Si(100)/Ta/Au resistance

0 100 200 300 400 500

02468

10

12141618

Res

isita

nce(

ohm

)

Temperature( oC)

Si(111)/Ta/Au

그림 시료의30. Si(111)/Ta/Au resistance

- 34 -

결과 및 논의III.

결정립 크기1. (Grain size)

100 200 300 400 5000.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.5

Gra

in si

ze(n

m)

Temperature(oC)

Si(111)/Au Si(100)/Au Si(111)/Ta/Au Si(100)/Ta/Au

그림 온도에 따른31. annealing grain size

그림 를 보면 전체적으로 온도가 증가할수록 가14. annealing grain size

증가하였다.11) 그리고 구조에 이 로 삽입될 경우Si/Au Ta buffer layer

의 키움에 효과가 있었으며grain size 300 이상부터 가 현저grain size℃

히 증가하였다 이는 이 진행됨에 따라 이 커짐으로서 표. annealing grain

면에너지가 낮아지기 때문으로 볼 수 있다.

- 35 -

표면거칠기2. (roughness)

아래 그림 를 보면15. 온도가 증가함에 따라 표면거칠기는 증annealing

가하였고 300 이상부터 표면거칠기가 급격히 증가함을 볼 수 있다.℃

구조보다는 구조에서 그리고 기판보다는Si/Au Si/Ta/Au , Si(111) Si(100)

기판에서 표면거칠기가 개선되었다.

100 200 300 400 500

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

Rou

ghne

ss(n

m)

Temperature(oC)

Si(111)/Au Si(100)/Au Si(111)/Ta/Au Si(100)/Ta/Au

그림 온도에 따른 표면거칠기32. annealing

이는 구조의 전체 보다 이 삽입된 구조에서의 전Si/Au surface energy Ta

체 가 더 낮기 때문에 이 잘 일어남으로 표면거surface energy “wetting"

칠기가 개선된 것으로 해석된다.

- 36 -

전기전도도3. (Conductivity)

측정 방법으로 각 시료들의 저항을 측정하였다4-point probe . 200 근℃

처에서 가장 낮은 저항값을 볼 수 있다 이는 온도에 따른. annealing

의 증가가 전자의 산란에 대한 영향감소를 가져와 전기전도도grain size

가 향상되는 것으로 보인다 하지만 표면거칠기가 급격히 나빠지는. 300

이상에서는 의 영향보다 표면거칠기가 전도도에 더 큰 영향grain size℃

을 미치기 때문에 전체적으로 저항이 커지는 것으로 해석된다 역시.

구조에 을 삽입함으로서 전기 저항을 줄일 수 있었다Si/Au Ta .

0 100 200 300 400 500

0

20

40

60

80

100

Res

isita

nce(

ohm

)

Temperature( oC)

Si(111)/Au Si(100)/Au Si(111)/Ta/Au Si(100)/Ta/Au

그림 온도에 따른 전기저항33. annealing

- 37 -

0 100 200 300 400 500

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

Con

duct

ivity

*10

6 (oh

m*c

m)-

1

Temperature ( oC)

Si(111)/Au Si(100)/Au

그림 온도에 따른 전기전도도34. annealing

의 경우 전도도는 약Au bulk 0.440*106 [ cm]Ω․ -1 값을 갖는다 위의 그.림 을 보면 박막 구조에서의 전도도는 전도도의 약 값17. Si/Au bulk 1/2

을 가짐을 알 수 있다 그러나 구조에서의 전도도는 정확히. Si/Ta/Au Au

계산을 하지 못했다 의 전도도가 전체 전도도에 얼마만큼 기여하는지. Ta

알지 못했기 때문이다 하지만 지금까지의 실험 결과들을 보아 구조. Si/Au

보다는 더 나은 값을 가질 것으로 예측해 본다.

- 38 -

결론IV.

본 연구에서는 방법을 사용하여 또DC magnetron sputtering Si(111)

는 기판위에 을 또는 를 의 두께로Si(100) Au 30 nm Ta/Au 5 nm/30 nm

각각 증착한 후 온도에 따른 의 변화와 표면거annealing Au grain size

칠기 및 전기전도도를 연구하였다.

증착조건에 의해 가 달라지면 의 변화로 전자grain size grain boundary

들의 산란에 영향을 미치게 된다 뿐만 아니라 의 제한된 두께의. 30 nm

박막 제작으로 표면거칠기 또한 산란에 기여하게 된다 본 실험에서.

를 키우기 위하여 이라는 물리적인 작업을 진행하였grain size annealing

다 의 측정으로 각 온도에 따라. XRD rocking-curve annealing grain size

가 점점 증가하는 변화를 관찰하였으며 특히 약 300 이상의 온도에서부℃

터는 현저히 증가하는 상승곡선을 그렸다 그리고 구조에. Si/Au buffer

로 을 삽입한 구조는 를 전반적으로 향상시켰다 하지layer Ta grain size .

만 높은 온도는 표면을 거칠게 만들었다 장비로 표면거annealing . AFM

칠기를 측정한 결과 온도에 따른 표면거칠기는 증가 곡선을 나annealing

타내었고 역시 약 300 이상부터는 급격히 거칠어졌다 그러나 이. Ta℃

로 있는 구조에서는 구조에서보다 전체적으로 표면거buffer layer Si/Au

칠기가 개선되었다 이는 전체 가 더 낮아지기 때문으로. surface energy

해석된다.

결국 약 300 근처에서의 작업은 의 증가와 함께annealing grain size℃

작은 표면거칠기를 나타내어 전기전도도를 향상시키지만 그 이상의

온도에 대해서는 가 증가함에도 불구하고 표면거칠기annealing grain size

가 급격히 거칠어지는 요인으로 오히려 전기전도도가 악화되었다 그러나.

구조에 의 가 삽입되는 경우 온도에 따른Si/Au Ta buffer layer annealing

박막의 전기저항은 전체적으로 향상됨을 볼 수 있었다.

- 39 -

따라서 여러 가지 박막 특성으로 보아 구조의 박막은 구조Si/Ta/Au Si/Au

에서보다 기판의 증착은 기판에서 보다 더 나은 전기전도, Si(100) Si(111)

도를 가질 것으로 예측해 본다.

본 연구에서 추가적으로 이뤄져야 할 사항들이 있다 구조 또는. Si/Au

구조에서Si/Ta/Au SiO2계면에 의한 영향을 고려하지 못했다 기판위는. Si

흡착에 의한 자연산화층, SiO2가 수 정도 형성된다 기판위의 산화nm . Si

층의 존재로 이 층이 역할로 작용할지에 대한 가능성을 배buffer layer

제할 수가 없다 따라서 증착 전. SiO2층을 제거하여 이 계면에 의한 영향

을 최소화시킬 추가 실험이 진행될 필요가 있다 그리고 구조의. Si/Ta

온도에 대한 변화의 추이도 살펴봐야 할 필요가 있다 실제annealing .

이 박막의 특성 변화에 어떤 영향을 미치는지 온도에 대Ta Au annealing

한 박막의 특성 변화를 살펴봐야 할 것이다Ta .

- 40 -

참고문헌V.

1) Donald L. Smith, Thin-film Deposition, McGraw-Hill (1996).

2) Chee C. Wong, Henry I. Smith, C.V. Thompson. Appl. Phys. Lett. Vol.

48, No. 5 (1986).

3) C. V. Thompson. J. Appl. Phys. 58 763 (1985).

4) C. V. Thompson, Henry I. Smith. Appl. Phys. Lett. 44 603 (1984).

5) K. Fuch, Proc. Camb. Phil. Soc. 34 100-108 (1938).

6) N. Schella, T. Jensenb, J.H. Petersenb, K.P. Andreasenb, J. Bottigerb,

J. Chevallierb. Thin Solid Films 441 96-103 (2003).

7) E. E. Fullerton et al. PRB 45 9292 (1992).

8) A. L. Patterson. Physics Review vol. 56 (1939).

9) B. D. Cullity, Elements of X-Ray Diffraction, Addison-Wesley (1978).

10) Dieter K. Schroder, Semiconductor Material and Device Characteriza-

tion, John Wiley & Sons (1998).

11) C. R. Chen, L. J. Chen. Applied Surface Science 92 507-512 (1996).

Ⅰ. 서론Ⅱ. 본론1. 이론적 배경1.1 표면에너지(Surface energy)1.2 결정립 성장(Grain growth)1.3 전기전도도(Conductivity)

2. 시료 제작2.1 증착 장비2.2 Au박막 시료 제작2.3 박막 두께 calibration

3. 측정 및 분석3.1 XRD 측정법에 의한 결정립크기(grain size) 측정3.2 AFM을 이용한 표면거칠기(roughness) 측정3.3 4-point probe 측정

Ⅲ. 결과 및 논의1. 결정립 크기(Grain size)2. 표면거칠기(roughness)3. 전기전도도(Conductivity)

Ⅳ. 결론Ⅴ. 참고문헌