전이금속체로 형성된 박막의 구조와 자기적 성질에 관한 연구

Abstract

X-선 회절과 X-선 반사율 분석법을 이용 하여 3d-전이금속으로 이루어진 박막의 형성과 미세구조에 관한 연구를 수행하였다. 첫째, Ni 타겟을 이용하여 반응성 스퍼터링법으로 증착한 박막의 증착조건에 따른 미세구조와 결정성, 표면형상의 관계를 연구하고자 하였고, 둘째로, 연속적 증착법과 후 열처리 과정으로 만든 Ti-Zr-Ni 박막의 열처리 전후의 상변화와 자성변화를 연구하였다. NiO 박막의 박막의 증착 조건에 따른 미세 구조와 표면 형상 변화를 연구하기 위하여 Si (100) 기판 위에 RF 반응성 마그네트론 스퍼터링 증착법으로 산소와 아르곤 분위기에서 스퍼터링 파워, 산소 분압, 기판 온도, 박막 두께 등 다양한 스퍼터 조건에서 증착한 시료를 분석하였다. 증착된 박막은 XRD, FE-SEM을 이용하여 미세구조와 우선배향성, 표면 형상, 거칠기 등의 구조적 변화를 분석하였다. 스침각 X-선 분석법을 이용하여 NiO 박막의 표면 결정구조 정보를 얻었고, FE-SEM을 이용하여 두께 및 단면의 정보와 표면 형상의 변화를 분석하였다. 결과적으로, 스퍼터링 파워가 증가 할수록 박막은 치밀한 박막성장, 향상된 결정성, 그리고 더 높은 표면에너지를 갖는 면으로 성장하는 것을 확인할 수 있었지만, 너무 높은 파워에서는 오히려 결정성이 나빠지고 (100) 방향의 배향성도 약해지는 것으로 확인되었다. 산소 분압의 증가에 따라 박막의 배향이 (111) 방향에서 (100) 방향으로 옮겨가는 것을 확인 할 수 있었고, 증착 온도, 타겟과 기판과의 거리, 증착 두께에 따라서도 박막의 결정성과 표면 배향이 바뀌는 것을 확인할 수 있었다. TiZrNi로 구성된 박막형태의 준결정체를 제작하고자 Ti/Ni 합금 타겟과 Ni 타겟을 연속적 스퍼터링법으로 증착한 후 700 ℃에서 83 시간 동안 10-6 Torr의 진공상태에서 열처리를 통해 증착된 layer를 혼합된 Ti-Zr-Ni 박막을 제작하였다. XRD를 분석을 통하여 열처리 전후의 TiZr 층과 Ni 층의 상변화를 확인하였고, FE-SEM을 이용해 단면과 표면 형상을 확인하였다, EDS로 성분 분석 결과 열처리 전후의 Ti:Zr:Ni 박막은 약 50:29:21 의 성분비를 갖는 것으로 분석되었다. X선 반사율 측정으로 박막의 두께와 전자 밀도를 확인하였고 열처리 후에는 층의 혼합과 거칠기의 증가로 막의 간섭에 의한 오실레이션이 보이지 않았다. 열처리 전후의 박막에서 자기 이력 현상이 나타났고 2000 Oe에서의 자화값은 열처리 전의 약 0.29 emu/mm3 에서 열처리 후 0.14 emu/mm3 으로 절반 수준으로 낮아진 것을 확인하였다. 이렇게 다른 자기적 성질을 보이는 것은 후 열처리 과정으로 원소들이 균질하게 혼합되었음을 의미한다.; As miniaturizing the size of electronic devices, the physical properties and performance of devices crucially depend on their surface and interface structures. Therefore, characterization of the structure of the thin films has become increasingly important. Among the various structure analysis technique, using X-ray beam is are known to interact weakly with most materials. Those are nondestructive and penetrate deeply into samples. In this thesis, the structural and physical properties of the thin films made with 3d-transition metal were studied by using X-ray diffraction and reflectivity. First, the relation of sputtering parameters with structural and morphological properties of nickel oxide (NiO) thin films was investigated. NiO thin films were prepared by using a RF reactive sputtering methods on Si (100) substrates with a Ni target. The films were deposited by several different sputtering conditions such as changing the partial pressure of oxygen (10 ~ 50 %) and rf power (100 ~ 200 W). The phases and crystalline structures of the deposited films were investigated by using a grazing incident X-ray diffraction (GIXRD). The thickness and surface morphology of the films were measured by using a field emission-scanning electron microscopy (FE-SEM). The different sputtering conditions drastically affect crystallinity and surface morphology of NiO thin films. As increasing the films thickness, the films tend to grow in (100) direction due to the relaxation of the strain with the surface forming the polycrystalline structure. Interestingly, the preferred orientation of NiO films tends to adjust from (111) to (200) direction as increasing the partial pressure of oxygen. As increasing the rf-power, the lattice constants decreased and samples have high quality of crystallinity. Under our experimental condition, NiO films prepared at 150 W sputtering power with 20 % partial pressure of oxygen and 7 cm distance from the sample to the target show the best crystallinity. Second, distinctive thin layers of TiZr and Ni were deposited by using a magnetron sputtering method and a thermal annealing was applied. After a heat treatment in vacuum, 70 nm thick deposited layers were well mixed with nominal atomic compositions of 49.7, 29.3 and 21.0 for Ti, Zr and Ni, respectively, which is very close with the one known to forming a quasicrystalline phase. The magnetization values were significantly decreased from 0.286 to 0.142 emu/mm3 at 2000 Oe, after annealing, while a shape of magnetic hysteresis is maintained. It is believed that a different magnetic behavior after thermal annealing is due to the homogeneous mixing of atomic elements and possible existence of a metastable phase.