박막의 성장과 미세조직 - Structure Zone Model #2

   Structure Zone Model 두번째 이야기 입니다. 아니, 이렇게 업데이트가 빨리 되다니 저도 의아하지만, 이것은 본래 1편과 2편이 동시 제작되었기 때문입니다. 철저한 사전제작 시스템으로 작가가 마감에 쫓기지 않을 수 있습니다. -_ -  그리고  Zone Model 이 쭉쭉빵빵 이쁜 모델도 아니고, 비록 실제적으로 나타나는 현상이지만 단순 이론적인 설명들도 있기 때문에 빨리 해버리려는 꼼수도 어느정도 작용했습니다. 

    Thornton 은 자신이 처음에 제시한 zone model 에 각각의 zone 들이 나타나는 세부적인 원인과 이유를 밝히고 그 형태들도 정확하게 구분합니다.  T/Tm이 0.3 이하에서 나타나는 이곳 Zone 1 의 미세조직의 특징은 한마디로 다공성이고, 주상과 주상의 사이는 치밀하게 붙어있지 못하여 약간 틈이 있으며, 표면은 마치 식빵처럼 위로 둥글게 튀어나온 돔(dome)형태를 하고 있습니다.

Thornton 의 주장대로 그려본 Zone 1의 단면

아니 근데, Thornton 양반.. 댁의 말대로 그려봤는데, 내가 그린 이게 그 모습이 맞는거요? .. ;;

그나저나 오늘도 급조한 파워포인트 그림.

   Zone 1 영역에서 기판의 온도는 매우 낮기 때문에 기판에 도착한 증착입자들은 에너지를 얻지 못하여 충분히 이동을 하지 못하고 그자리에서 성장해버리는 경향이 있습니다. 그래서 핵의 발생 수가 적고, 때로는 비정질이 만들어 지기도 합니다. 여기에 self shadow 효과가 더해지는데, 이로인해 주상결정들 사이의 경계가 밀착되지 못하면서 성장하게 됩니다. 그래서 open grainboudary 라고도 부르고 있습니다. 그뿐 아니라 많은 기공 및 내부 결함을 포함하기 때문에 밀도가 낮은 주상조직이 형성됩니다.

   Shadowing 효과 란 것은 '그림자 효과' 라는 의미 그대로, 스퍼터링 되어 날아온 입자가 기판 위에서 어떤 이유로 진행을 방해받아 증착이 안되는 경우를 말합니다. 그런데 박막이 성장하면서 성장막 스스로가 입자의 진행을 방해하는 경우가 발생하면 이것이 self shadowing 효과가 되죠. Shadowing 효과는 보통 스퍼터링된 입자가 기판 표면과 수직이 아니라 어느 각도 이상으로 경사져 들어오면서 잘 나타납니다. 비록 여태 나왔던 그림에서는 타겟에서 스퍼터링된 입자들이 기판과 수직으로 들어오는 것 처럼 표현을 했지만, 실제는 그렇지 않습니다. 스퍼터링율 에서 보신것 처럼 스퍼터링 현상 자체가 수직으로 이루어지지도 않고, 타겟으로부터 기판과의 거리가 언제나 동일하지 않으며, 설령 수직으로 스퍼터링된 입자들도 기판까지 오면서 다른 입자나 Ar 등과 충돌하게 되면 방향이 바뀌게 됩니다. 그래서 기판에 수직으로 들어오는 입자들은 생각외로 적습니다.

내가 나를 방해하는 미련맞은 Self Shadowing 효과

   이렇게 스퍼터링 된 입자가 기판에 경사져서 들어오게 되면, 그 각도에 따라 박막이 기판에 수직으로 성장하지 못하고 기울어서 성장하는 모습이 보이게 됩니다. 이때 기판과 들어오는 입자의 각도를 α, 기판과 박막의 성장 각도를 β 라고 하면 이 둘 사이에  tan α = 2 tanβ 라는 특정한 관계가 성립하는데 이것을 Tangent rule 이라고 합니다. 증착입자의 입사 각도 α 가 커질수록 shadowing 효과가 크게 나타나게 되므로, 성장하는 주상조직들 사이에 빈 공간이 증가하고 그 결과 다공성의 표면이 나타나게 됩니다. 

Tangent Rule 을 표현했더니 무슨 공식이 아니라 예술 그림 보는 느낌

그리고 Tangent Rule 를 증명이라도 하듯 수줍게 경사지며 입혀진 나의 박막 사진

부끄럽구요... * -_ -*

   Zone T 는 '섬유상' 이라고 부르는 꽤나 미세하고 날카로운 조직의 형태를 나타냅니다. 여기서 T는 'Transition' 을 의미하는데, 별로도 나타나는 영역이라기 보다는 zone 1 에서 zone 2 로 변화하는 중간단계로 보고있습니다. 그런데, 이때의 기판 온도가 zone 1 보다 높기 때문에 표면에 도착한 증착입자들의 움직임이 증가하면서 박막 내부의 많은 기공들이 없어져 밀도가 증가합니다. 그래서 박막의 강도도 크게 증가하죠. 그러나 zone 1 의 경우처럼 zone T 도 역시 shadowing 의 영향은 그대로 받고 있어서 겉에서 보면 여기저기 이가 빠진 듯한 다공성의 표면을 가진 미세조직을 나타내게 됩니다. 

zone T는 비록 내부 기공들은 없어졌지만 뭐 이런 멀대 수수깡 같은...

   Zone 2 는 T/Tm 이 0.3~0.7 정도에서 나타나는 전형적인 주상조직을 보이고 있습니다. 기판 온도가 꽤 높아졌기 때문에 기판 표면 도착한 증착입자들이 어느정도 자유롭게 이동이 가능해져서 기판 전면에서 고른 성장이 이루어지고 shadowing 효과는 거의 나타나지 않습니다. 그래서 전체적으로 박막의 밀도는 더욱 증가하고 기판표면에서 부터 잘 발달된 주상이 나타나게 됩니다. 온도가 증가하면서 이 주상들의 폭이 커지는 것이 관찰되고, 박막 표면은 각이지고 매끄럽게 형성이 되고 있습니다.  

Zone 2는 충분한 온도로 확산이 이루어져 shadowing 도 없고 치밀해진다.

   Zone 3  일때는 T/Tm 이 0.7 이상으로, 거의 박막의 용융점에 다가갈 정도의 매우 고온입니다. 그래서 박막 내부에서 원자들의 확산이 아주 활발하게 나타나는데 이것을 체적확산(bulk diffusion) 이라고 부릅니다. 또한 재결정(recrystallization)도 나타나면서 이전 박막에서는 볼 수 없던 미세조직을 만들어 냅니다. 결정 하나의 크기가 대단히 커지고, 기판에 수직하게 성장한 주상조직이 아닌 덩어리 형태의 등축조직이 나타나게 되죠. 표면은 따땃하게 달궈져서 그런지 반질반질 하고, 표면 결정들 사이의 경계는 약간 파여있는 특징이 있습니다(Groove 라고 부름). 그런데 저융점 박막이면 몰라도 현실적으로 Zone 3 영역을 만들기란 대단히 어렵습니다. 타겟이 Al 정도만 되어도 괜찮지만, Cu 만 하더라도 T/Tm 이 0.7 이 되려면 700℃ 는 올려야 합니다. 일단 온도 조절장치의 능력도 필요할 뿐 아니라, 챔버내 장착된 악세사리 들도 그정도 온도에서 견뎌줘야 하는 고온재료로 만들어져 있어야 합니다. 언젠가 단순히 호기심으로 제 스퍼터의 기판가열 장치가 몇도까지 올라가나 시험삼아 쭈욱 올려봤다가, 내부 장치들이 열받아 변형되는 바람에 그거 다 뜯어서 바로잡느라 며칠간 아주 심장이 쫀득쫀득 해졌습니다. -_ - 

굳이 그리자면 Zone 3 은 이리 될거란다.

무슨 마추피추 외벽 같은 잉카유적 느낌이랄까..

   Thornton 은 이렇게 각 zone 들에게서 나타나는 현상과 이유들을 충분한 설명과 함께 추가된 실험결과를 붙여서 최종적으로 확장판 zone model 을 그려내는데, 그 결과물이 아래 그림입니다. 역시 제가 그린게 아닌 Thornton 의 것을 그대로 가져왔습니다. 이걸 제가 파워포인트로 죽어라 그려도 이보다 더 정확하고 자세히 표현할 수는 없습니다. -_ - 

Thornton 아저씨의 Sturcture Zone Model 확장판
[Thornton,J.A., Ann. Rev.Mater.Sci. 1977.7:239-60]

단지 복사기에 문대지 않은 친절하고도 정확한 참고문헌

   기억해야 할 것은 이 Structure Zone Model 이 어느경우에나 모두 적용되는 것은 아닙니다. 이것이 해당하는 것에는 몇가지 조건이 있죠. 우선, 에피텍셜(epitaxial) 성장 같은 경우에는 조건 자체가 단결정 성장이 목적인 경우가 대부분 이기 때문에 이런 zone 의 구분이 나타나지 않습니다. 에피텍셜이 아니더라도 때로는 zone 과 zone 사이의 구분이 명확하지 않을 때도 있고, 순금속 박막에서는 zone T 는 잘 나타나지가 않습니다. 또한 금속이 아닌 세라믹 박막에서는 각 zone 의 영역도 크게 달라지는 경향이 나타난다는 것을 염두에 둬야 합니다.

    Movchan, Thornton, Messier 등은 변수에 따른 미세조직 변화에 관한 것을 처음 밝히고, Structure Zone Model 개념을 만들어 일반화 가능한 이론으로 확립했다는 뛰어난 업적이 있습니다. 그런데, Zone Model 의 그림 자체는 특별한게 아닙니다. 누구든지 자신이 가진 타겟으로 자신만의 조건에서 실험하면 그려낼 수 있습니다. 생각보다 많은 연구 결과에서 자기가 사용한 타겟 재료에 대하여 RF의 영향, 마그네트론의 영향 등을 추가하며 자신의 실험조건으로 그려낸 Zone Model 들을 보실 수 있습니다. 비록 이론적이나 수식적으로 뭐를 밝혀낸것도 아니고 실험해서 나온 결과를 그저 그림으로 그린것이 무슨 의미냐고 할 지도 모르겠습니다만, Zone Model은 정확한 실험조건과 수백번에 달하는 반복 실험, 정밀한 측정 및 그것들을 해석할 수 있는 분석 능력이 없으면 만들어 낼 수 없습니다. 그리고 그렇게 얻은 결과는 박막 미세조직이란 측면에서 하나의 엄선된 '지표'로 작용할 수 있습니다. 본래 Thornton 등의 Structure Zone Model 은 모든 박막에서 그렇게 나온다고 말하는 것이 아니라 실험에 관한 '지표'를 제공했던 것이고, 우리는 수십년이 지난 지금도 그 덕을 충분히 보고 있습니다. 설령 그런것들을 의도한 것이 아니더라도 최소한 변수를 이렇게 조절하면 과연 어떻게 나올지 궁금하지 않습니까. -_ - 해보기 전에는 나도 모르고 남들도 모르는 부분인데, 그것을 실험해서 찾아가고 확인해보는 것이 연구자가 하는일이 아닌가 싶습니다. 사실 남들이 저보고 그거 왜했냐고 물어보면, 제가 하는 대답의 90% 이상은 '궁금하니까' 인거 같습니다. -_ - 그러다 보니 돈되는 짓은 대체 언제할거냐고 무지 욕먹으며 삽니다 ... - _-

...by 개날연..

2편으로 Strucuter Zone Model 을 끝냅니다. 휴... ;ㅁ;

중요하다고 말한 만큼 어찌보면 조금 좀더 차분하게 준비하고

그림도 철저하게 그렸어야 하지않나 싶긴 하지만,

내용 진행을 하는데 있어서 너무 이론적인거에 많이 투자하고 싶지는 않고,

며칠 좀 우울한-_-일이 생겨서 정신도 걍 정리할겸.. 주말에 바람이나 쐬러갈까 해서

박차를 가해서 완성시켜 올립니다. 

어차피 이렇게 올렸어도 계속 보면서 맘에 안드는 부분 수정을 해요... ;ㅁ;

근데 대체 커피 랩은 언제 완성시키나... ㅠㅠ

글 : 개날라리연구원
그림 : 개날라리연구원
업로드 : 개날라리연구원
발행한곳 : 개날라리연구소



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