서론
다결정 코팅으로써의 박막은 의료용 임플란트의 생의학 코팅부터 자동차용 강철의 스프레이 코팅 페인트, 배터리 내 전극이나 반도체의 금속 접촉부에 증착된 필름, 디스플레이의 광학 코팅에 이르기까지 다양한 응용 분야에 사용된다.
박막에 대한 새로운 응용 분야가 등장하고 기존 응용 분야가 주류가 되면서 증착 기술이 꾸준히 발전하고 있으며 증착되는 재료는 항상 개선되고 있다.
증착된 결정상과 증착된 필름의 잔류 응력은 증착 방법 또는 처리 단계의 효능을 평가하기 위한 주요 파라미터이다. 사용 중 필름의 무결성을 모니터링하는 것도 제품의 장기적 성공을 보장하는 데 매우 중요하다. 그레이징 입사 X선 회절(GIXRD)을 사용하면 코팅을 통해 신호를 극대화하도록 구성을 조정할 수 있다. 따라서 결정상에 대한 자세한 연구가 필요하거나 고속 품질 관리가 필요한 경우 원하는 결과와 최상의 데이터를 얻을 수 있다.
여기에서는 다결정 코팅 연구를 위한 Aeris의 성능을 보여주는 예시 데이터와 분석을 제공한다.
그림 1: 초소형 첨단 기기에서 진정한 다목적 분말 회절 기능을 경험
그레이징 입사 X선 회절에 구성된 Aeris
그레이징 입사 X선 회절을 통해 규칙적 대칭성(Bragg-Brentano) 분말 스캔이 충분한 피크 강도를 제공하지 않거나 기판에서 너무 많은 간섭을 유발하는 경우 박막에서 훨씬 개선된 피크 신호를 얻을 수 있다.
Aeris는 일상적인 측정을 위한 전용 박막 회절분석기이거나, 이따금 박막 측정을 할 수 있는 다목적 분말 회절분석기이다. 고성능 디커플링 고니오미터 스캐닝 기술은 다양한 정밀 입사 빔(ω) 각에서 재현성이 높은 2θ 스캔을 제공하여 그레이징 입사 X선 회절(GIXRD) 및 잔류 응력 측정에 적합하다. 회절 빔 측면에 있는 평행 플레이트 시준기는 Aeris를 평행 빔 측정 모드로 변환하여 정확한 피크 위치를 제공하고 아웃포커스 효과를 해결하여 고품질 데이터를 전달한다. 견고한 홀더 제품군은 고객의 요구 사항에 맞는 다양한 시료 장착 옵션을 제공한다.
그림 2: Aeris 적재 영역에서 대기 중인 시료 및 그레이징 입사 구성에서 Aeris의 내부 모습과 왼쪽의 단단한 시료 홀더, 오른쪽의 필름 홀더.
실리콘 기판 위의 다결정 이리듐의 50nm 박막
내화 금속 이리듐은 높은 X선 반사성, 낮은 산화율, 높은 용융점으로 인해 고성능 광학 장치에서 다양하게 적용된다. 예를 들어, 이리듐은 고성능 망원경의 광학 코팅으로써 금과 은을 대체할 수 있는 소재로 연구된다.
결정립 크기와 미세 변형은 필름 미세구조와 필름의 전반적인 품질을 나타내는 좋은 지표이며 회절 피크의 변화를 찾아 신속하고 비파괴적으로 모니터링할 수 있다.
이러한 박막의 경우, 이리듐 회절 피크는 기판 피크의 신호에서 쉽게 손실될 수 있다. 그레이징 입사 회절 지오메트리를 사용하면 명확하고 유용한 데이터를 빠르게 얻을 수 있다. (그림 3.1 참조)
85° 피크와 같은 레이어의 하이 앵글 피크는 반사 구성에서 볼 수 없을 정도로 약하기 때문에 GIXRD 스캔에서만 볼 수 있다.
HighScore 분석 소프트웨어[1]를 사용하면 평균 결정립 크기(11.1nm) 및 미세 변형(0.585%)에 대한 결과를 빠르게 얻을 수 있다. (그림 3.2 참조) 이러한 구조적 파라미터는 가공 프로세스를 모니터링하고 최적화하여 필요한 레이어 성능 및 제품 품질 관리를 얻는 데 도움이 된다.
박막 및 코팅의 경우, 증착 중 레이어의 잔류 응력이 어떻게 형성되는지 이해하고 필름의 최종 품질을 이해하기 위해 필름의 잔류 응력을 측정하는 것이 중요하다. 박막은 높은 응력을 지원할 수 있으며, 성분의 화학적 보호 외에도 코팅은 성분을 추가로 강화하거나 반대로 전체 성분을 약화할 수 있다. 또는 과도한 응력을 받는 박막은 필름이 쉽게 균열되거나 기판에서 분리될 수 있다.
결정학적 잔류 응력은 박막 처리에서 중요한 품질 관리 파라미터이다. 레이어 내의 잔류 응력은 Stress Plus[2] 소프트웨어에서 여러 {hkl} 잔류 응력 분석을 사용하여 확인할 수 있다. (그림 3.3 참조)
그림 3.4의 기존 Bragg-Brentano 데이터와 GIXRD 데이터를 비교하면 이리듐과 실리콘 모두 69° 2θ에 가까운 강력한 회절 피크를 가지고 있음을 알 수 있다. GIXRD 스캔을 통해 이제 더 작은 이리듐 피크가 실리콘 기판 피크에 의해 가려지지 않고 명확하게 보이며 85° 및 107°와 같은 하이 앵글 피크를 더 쉽게 볼 수 있다.
그림 3.1: 새로운 Aeris 박막 설정으로 측정한 실리콘 단일 결정 기질에 다결정 이리듐 레이어의 GIXRD 측정으로 매우 양호한 데이터 품질을 도출할 수 있다.
그림 3.2: HighScore Plus에서 내보내게 된 예시에서 보듯이 피팅을 포함한 데이터 허용 상 분석은 결정립 크기 값 11.1nm 및 미세 변형값 0.585%에 대해 얻은 것이다.
그림 3.3: 레이어 내의 잔류 응력은 Stress Plus 소프트웨어에서 여러 {hkl} 잔류 응력 분석을 사용하여 확인할 수 있다.
그림 3.4: GIXRD 데이터와 기존 Bragg-Brentano 데이터를 비교한 결과, 69°에 가까운 강도 높은 기질 신호를 완전히 억제하고 85° 및 107°와 같은 하이 앵글 피크를 더 쉽게 볼 수 있으므로 박막 분석 접근법의 이점을 명확하게 알 수 있다.
유리 기판 위의 Pb-Br-Perovskite
PbBr3NCH5 perovskite 박막의 처리 방법과 특성을 태양 전지 및 검출기의 유망한 후보 선택지로 연구하고 있다. 이들은 비용 효율적인 액체 코팅을 비롯한 다양한 증착 방법으로 생산될 수 있다.
모든 처리 단계 동안 구조를 계속 통제하는 것이 항상 중요하다. 결정 구조, 결정립 크기 및 잔류 응력은 모두 광전자 효율 및 사용 중 물질의 구조적 견고성을 결정하는 데 중요한 파라미터이다.
이 레이어는 태양 에너지 파장의 흡수를 최적화하도록 설계되었기 때문에 X선에 매우 투명하게 표시된다. 따라서 그레이징 입사 구성은 레이어에서 얻을 수 있는 신호를 극대화하며 가장 효율적인 데이터 수집을 위해 선호되는 지오메트리가 된다.
여기에서는 고품질 GIXRD 데이터 및 분석의 예를 보여 준다. 그레이징 입사를 가진 평행 빔 광학부는 빔 확산을 감소 시켜 결정립 크기, 변형 및 잔류 응력을 보다 정확하게 측정할 수 있다. 일반 파우더 스캔을 통해 분석에 대해 충분한 강도를 얻을 수 없는 경우 그레이징 입사 지오메트리는 더 얇은 박막의 강도를 높여준다.
그림 4.1은 다양한 입사각(Omega)에서 수집된 데이터를 보여준다. Omega 0.5°(레드 스캔)에서 레이어 피크의 바탕 값에 대한 신호가 Omega 1°(블루 스캔)보다 더 좋다. 섹션 3의 예와 달리 기판은 비결정성 유리로 높은 바탕 값 강도를 제공한다. 스캔을 최적화하고 0.5°와 같은 낮은 입사각에 도달할 수 있는 것은 이러한 종류의 시료에 큰 이점이 된다.
결정 구조 미세 분석은 Perovskites에 있어 중요한 측정이며, 결정 구조의 작은 변화조차도 이 물질의 광학적 특성에 큰 영향을 줄 수 있다. 그림 4.2는 HighScore Plus 분석 제품군을 사용한 Perovskite 구조의 미세 분석에 가장 적합함을 보여준다.
이런 식으로 결정 구조를 지속적으로 이해하고 광학적 특성을 제어할 수 있다.
그림 4.1: 새로운 Aeris 박막 설정으로 측정한 유리 기판에 증착된 얇은 다결정 Perovskite 레이어의 GIXRD 측정, 두 가지 입사각으로 수집한다.
이 데이터는 매우 좋은 품질을 보여주며, 최상의 GIXRD 데이터를 얻기 위해 입사각을 최적화할 방법을 보여준다.
그림 4.2: HighScore Plus에서 내보내게 된 예시에서 보듯이 이 데이터는 피팅 및 구조 미세 분석을 포함하여 양호한 품질상 분석을 가능하게 한다.
요약
Aeris를 사용하여 분말 회절의 모든 기능을 하나의 소형 기기에서 사용할 수 있다. 여기에서는 Aeris의 다목적성과 데이터의 품질을 보여주는 그레이징 입사 X선 회절(GIXRD)의 두 가지 예를 보여 준다. 특허받은 고유의 PreFIX 광학 장착 시스템을 통해 Aeris는 Bragg Brentano, Transmission 및 GIXRD 방법의 데이터를 빠르게 비교할 수 있도록 쉽게 재구성된다. 몇 분 이내에 GIXRD 스캔을 얻을 수 있으며 다양한 입사각의 데이터를 비교하여 데이터 수집 설정을 최적화할 수 있다.
당사의 분석 소프트웨어인 HighScore Plus 및 Stress Plus와 함께 고품질 데이터는 다결정 박막 시료의 완벽한 보기를 위해 상 순도, 결정화, 결정립 크기, 미세변형 및 잔류 응력을 보여준다.
Reference(참고문헌) :
[1] The HighScore Suite, T. Degen, M. Sadki, E. Bron, U. KÖnig, and G. Nénert; Powder Diffr., Vol. 29, No. S2, December 2014
[2] Stress Analysis of polycrystalline thin films and surface regions by X-ray diffraction; U Welzel, J. Ligot, P. Lamparter, A.C. Vermeulen and E.J. Mittemeijer; J.Appl.Cryst.(2005).38, 1-29.
'AERIS FOR THIN FILMS: 그레이징 입사 X선 회절'에 대한 궁금한 내용은 본 원고자료를 제공한 말번 파날리티칼 코리아를 통하여 확인할 수 있다.
Model Name(모델명): Aeris
The Person in Charge(담당자): Hyunjung Gu
Maker(제조사): Malvern Panalytical
Country of Origin(원산지): Netherlands
Mail inquiry: info.korea@malvern.com
Data Services(자료제공): Malvern Panalytical Korea
<이 기사는 사이언스21 매거진 2021년 8월호에 게재 되었습니다.>
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