Biaxial texturing of the MgO thin films by the IBAD process

Abstract

IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)는 물질의 증착과 동시에 이온빔을 주사하여 식각(etching)하는 박막증착 방법이다. 이 기술은 고온초전도 분야에서 기판의 결정성과 상관없이 그 위에 이축으로 배향된 층을 성장 시킬 수 있는 기술로 크게 발전하여 향후 디스플레이, 태양전지 등 고기능성 박막 제조를 위한 응용성이 활발하게 모색되고 있다. 본 연구에서는 Y2O3/Al2O3/Ni-alloy 기판 위에 이축배향성을 갖는 MgO층을 형성할 수 있도록 기판에 대한 이온빔의 입사각도를 45°로 고정하고, 주요 공정 변수인 이온빔의 빔전압(beam voltage: 300V ~ 900V), 가속전압(accelerationg voltage: 200V ~ 900V), 전자빔파워(e-beam power: 0.25kW ~ 0.35kW)를 변화시키며, 각 공정변수가 IBAD MgO층의 배향성에 미치는 영향을 체계적으로 규명함으로서 공정의 최적화를 도모하고, 또한 IBAD MgO의 이축배향 형성 매커니즘(mechanism) 규명에 기여하고자 하였다. 연구결과를 종합적으로 비교해 보았을 때, 아르곤이온(Ar+)의 에너지가 높을수록 그리고 IBAD ratio(etched thickness/gross deposit without etching)가 높을수록 보다 우수한 MgO의 이축배향성을 얻을 수 있었다. 동일한 IBAD ratio라도 높은 증착률(deposition rate)과 식각률(etching rate)을 가질수록 더좋은 이축배향성을 갖는 MgO를 넓은 두께의 범위에서 안정적으로 제조할 수 있었다. MgO층의 면배향(in-plane texture)을 반치폭(Full Width Harf Maximum) Δ 값을 통해 살펴본 결과 95%의 IBAD ratio에서 IBAD MgO층을 100초 (~ 1.5 nm 두께) 증착하고 그 위에 homo epi MgO층의 두께를 100nm로 올렸을 때 5.8°로 가장 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 더불어 homo epi MgO층의 두께를 100nm에서 300 nm로 증가시킬 때, 면배향이 계속 증가하여 Δ 값이 4.9°로 가장 낮은 값을 얻을 수 있었는데, 이 결과는 이미 보고된 바와 같이 self epitaxy (alignment) 효과로 사료된다. IBAD MgO 층이 성장하면서 배향되는 과정을 분석한 결과, 성장과정에서 일정한 패턴을 보이며 c축틸팅(c-axis tilting)이 일어나는 것을 알 수 있었다. 이축배향이 형성되기 시작하는 초기에는 이온빔이 들어오는 방향으로 기울어져 있다가 IBAD MgO층의 두께가 두꺼워 질수록 점점 반대 방향으로 기울면서 c축틸팅이 거의 없는 지점에서 가장 높은 이축배향성이 얻어졌다. 그러나 더 이상 두께가 두꺼워지면 지속적인 틸팅에 의해 이축배향성이 점점 나빠지는 것을 알 수 있었다.