KR100927979B1 - Composition and structure analysis method of nano thin film using angular decomposition photoelectron spectrometer - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 나노 박막의 조성 및 구조 분석 방법은: 나노 박막의 임의의 조성비 및 박막층의 두께 중 적어도 하나를 입력하는 단계; 상기 입력된 임의의 조성비 및 박막층의 두께에 따른 이론상 광전자 강도값을 구하는 단계; 상기 이론상 광전자 강도값에 따른 광전자 강도비를 구하는 단계; 특정 나노 박막의 광전자 강도값을 측정하는 단계; 상기 측정된 광전자 강도값에 따른 실제 광전자 강도비를 구하는 단계; 및 상기 이론상 광전자 강도비와 상기 실제 광전자 강도비를 비교하여 상기 특정 나노 박막의 조성비 및 박막층의 두께 중 적어도 하나를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A composition and structure analysis method of a nano thin film according to the present invention includes: inputting at least one of an arbitrary composition ratio of a nano thin film and a thickness of a thin film layer; Obtaining a theoretical photoelectron intensity value according to the input arbitrary composition ratio and thickness of the thin film layer; Obtaining an optoelectronic intensity ratio according to the theoretical optoelectronic intensity value; Measuring the photoelectron intensity value of the particular nano thin film; Obtaining an actual photoelectron intensity ratio according to the measured photoelectron intensity value; And comparing the theoretical optoelectronic intensity ratio with the actual optoelectronic intensity ratio to obtain at least one of a composition ratio of the specific nano thin film and a thickness of the thin film layer.
본 발명은 광전자 각분해 분광 분석기를 이용하여 나노 박막의 수 나노 두께의 다층 박막 소재를 대기 중에 노출시키지 않고, in-situ 및 비파괴 상태에서 조성 및 구조 분포 분석이 가능하다. 또한, 본 발명은 증착 과정 중 각 단계마다 실시간으로 구조 분석 및 화학적 조성 분석결과를 제공할 수 있다. The present invention enables the composition and structure distribution analysis in the in-situ and non-destructive state without using the photoelectron angular spectroscopic analyzer without exposing the multi-layered thin film material of several nano-thickness of the nano-film in the air. In addition, the present invention may provide a structural analysis and chemical composition analysis results in real time at each step of the deposition process.
Description
본 발명은 각분해 분광 분석기를 이용한 나노 박막의 조성 및 구조 분석 방법, 더욱 구체적으로는 각분해 분광 분석기를 이용하여 나노 박막의 광전자 강도비를 측정하고 강도비를 시뮬레이션 모델에 적용하여 깊이 방향에서의 조성 및 구조를 분석하는 방법에 관한 것이다. The present invention is a method for analyzing the composition and structure of a nano thin film using an angular decomposition spectrometer, more specifically using a angular decomposition spectrometer to measure the photoelectron intensity ratio of the nano thin film and apply the intensity ratio to the simulation model in the depth direction A method of analyzing the composition and structure.
최근, 반도체 제조 공정 기술의 발달로 수 나노미터 두께의 박막 제조가 가능해지게 됨으로써 수 나노미터 두께의 나노 박막의 조성 및 다층 구조를 평가할 수 있는 기술의 확보가 필요하게 되었다. In recent years, the development of semiconductor manufacturing process technology has made it possible to manufacture a thin film of a few nanometers thick, it is necessary to secure a technology that can evaluate the composition and multi-layer structure of the nano-thin film of several nanometers thick.
이를 위하여, 먼저, 수 나노미터 두께의 박막의 조성 분석을 위해서는 광전자 분광 분석기(XPS)를 이용하는 방법이 제시되어 단층 구조의 박막 분석에 이용되었다. 또한, 다층으로 증착된 나노 박막의 구조분석에는 주로 투과전자현미경(TEM, transmission electron microscopy)을 이용하여 나노 박막 구조의 단면을 관찰하는 방법이 이용되고 있다.To this end, first, a method using a photoelectron spectroscopy (XPS) for the composition analysis of a thin film having a thickness of several nanometers has been proposed and used for thin film analysis of a single layer structure. In addition, a method of observing a cross section of a nano thin film structure using a transmission electron microscopy (TEM) is mainly used for structural analysis of a nano thin film deposited in multiple layers.
그런데, 종래의 다층으로 적층된 나노 박막의 구조 분석을 위해서 투과전자현미경으로 박막구조의 단면을 관찰하기 위해서는 투과전자현미경 분석용 시편을 별도로 제작하는 과정이 필요하다. 하지만 분석용 시편은 제작에 많은 시간이 소요된다. 더욱이, 시료제작 중 박막이 손상되는 경우가 종종 발생하고, 제작 후 대기 중에 시편이 노출되면 표면 반응에 의하여 박막이 오염된다. 또한 투과전자현미경 분석으로는 적층된 박막의 두께 분포는 정확히 확인 가능하나 나노 두께를 갖는 다층 박막 내에서 각각의 박막층의 정확한 화학적 조성 분포는 확인할 수 없고, 박막의 평면적 평균조성의 도출도 불가능하다. However, in order to observe the cross-section of the thin film structure with a transmission electron microscope for the structure analysis of a conventional nano-layer laminated thin film, a process for separately preparing a specimen for transmission electron microscope analysis is required. However, analytical specimens are time consuming to produce. Moreover, the thin film is often damaged during the preparation of the sample, and when the specimen is exposed to the atmosphere after fabrication, the thin film is contaminated by the surface reaction. In addition, the transmission electron microscope analysis can confirm the thickness distribution of the laminated thin film accurately, but it is impossible to confirm the exact chemical composition distribution of each thin film layer in the multilayer thin film having nano-thickness, and it is impossible to derive the planar average composition of the thin film.
따라서 본 발명은 이러한 종래의 나노 박막의 구조 분석의 문제점을 해소하기 위한 것이다. Therefore, the present invention is to solve the problem of the structural analysis of the conventional nano-thin film.
즉, 본 발명은 증착된 박막을 대기 중에 노출시키지 않고 증착된 상태에서 바로 분석(즉, in-situ 상태에서의 분석)할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. That is, an object of the present invention is to provide a method capable of directly analyzing a deposited thin film (ie, analyzing in an in-situ state) without exposing the deposited thin film to the atmosphere.
또한, 본 발명은 증착 과정 중 각 단계마다 실시간으로 구조 분석 및 화학적 조성 분석결과를 제공할 수 있는 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method capable of providing structural analysis and chemical composition analysis results in real time at each step of the deposition process.
또한, 본 발명은 투과전자현미경을 이용하지 않고, 나노 박막의 두께 구조 및 각 단위 나노박막의 조성 분포를 정확하게 분석할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a method that can accurately analyze the thickness structure of the nano thin film and the composition distribution of each unit nano thin film without using a transmission electron microscope.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노 박막의 조성 및 구조 분석 방법은:Composition and structure analysis method of the nano thin film according to the present invention for achieving the above object:
나노 박막의 임의의 조성비 및 박막층의 두께 중 적어도 하나를 입력하는 단계;Inputting at least one of an arbitrary composition ratio of the nano thin film and a thickness of the thin film layer;
상기 입력된 임의의 조성비 및 박막층의 두께에 따른 이론상 광전자 강도값을 구하는 단계;Obtaining a theoretical photoelectron intensity value according to the input arbitrary composition ratio and thickness of the thin film layer;
상기 이론상 광전자 강도값에 따른 광전자 강도비를 구하는 단계;Obtaining an optoelectronic intensity ratio according to the theoretical optoelectronic intensity value;
특정 나노 박막의 광전자 강도값을 측정하는 단계;Measuring the photoelectron intensity value of the particular nano thin film;
상기 측정된 광전자 강도값에 따른 실제 광전자 강도비를 구하는 단계;Obtaining an actual photoelectron intensity ratio according to the measured photoelectron intensity value;
상기 이론상 광전자 강도비와 상기 실제 광전자 강도비를 비교하여 상기 특정 나노 박막의 조성비 및 박막층의 두께 중 적어도 하나를 구하는 단계Obtaining at least one of a composition ratio of the specific nano thin film and a thickness of the thin film layer by comparing the theoretical optoelectronic intensity ratio with the actual photoelectron intensity ratio
를 포함하는 것을 특징으로 한다.Characterized in that it comprises a.
또한, 상기 나노 박막의 임의의 조성비 및 박막층의 두께 중 적어도 하나를 입력하는 단계에서, 상기 임의의 조성비 및 박막층의 두께는 복수로 입력되는 것이 바람직하다.In addition, in the step of inputting at least one of the arbitrary composition ratio of the nano thin film and the thickness of the thin film layer, it is preferable that a plurality of the arbitrary composition ratio and the thickness of the thin film layer are input.
또한, 상기 나노 박막의 임의의 조성비 및 박막층의 두께 중 적어도 하나를 입력하는 단계에서, 상기 임의의 조성비 및 박막층의 두께는 상기 특정 나노 박막의 조성비 및 박막층의 두께의 예상값에 따라서 결정되는 것이 바람직하다.In addition, in the step of inputting at least one of the arbitrary composition ratio of the nano thin film and the thickness of the thin film layer, the arbitrary composition ratio and the thickness of the thin film layer is preferably determined according to the expected value of the composition ratio of the specific nano thin film and the thickness of the thin film layer. Do.
또한, 상기 이론상 광전자 강도값은 다음의 수학식 중 적어도 하나를 이용하 여 계산되는 것이 바람직하다:In addition, the theoretical photoelectron intensity value is preferably calculated using at least one of the following equations:
; ;
. .
또한, 상기 특정 나노 박막의 광전자 강도값은 각분해 분광 분석기를 이용하여 측정되는 것이 바람직하다.In addition, the photoelectron intensity value of the specific nano thin film is preferably measured using an angular decomposition spectrometer.
또한, 상기 특정 나노 박막의 광전자 강도값은 각분해 분광 분석기를 이용하여 측정되는 것이 바람직하다.In addition, the photoelectron intensity value of the specific nano thin film is preferably measured using an angular decomposition spectrometer.
또한, 본 발명에 따른 나노 박막의 조성 및 구조 분석 시스템은 임의의 조성비 및 박막층의 두께를 갖는 나노 박막의 이론상 광전자 강도값과 특정 나노 박막의 실제 측정된 광전자 강도값을 비교하여 상기 특정 나노 박막의 조성비 및 박막층의 두께 중 적어도 하나를 구하는 연산 장치와, 상기 임의의 조성비 및 박막층의 두께를 갖는 나노 박막의 이론상 광전자 강도값을 저장하는 데이터베이스를 포함하고,In addition, the composition and structure analysis system of the nano thin film according to the present invention compares the theoretical photoelectric intensity value of the nano thin film having an arbitrary composition ratio and the thickness of the thin film layer with the actual measured photoelectron intensity value of the specific nano thin film to A computing device for obtaining at least one of a composition ratio and a thickness of the thin film layer, and a database for storing theoretical photoelectron intensity values of the nano thin film having the arbitrary composition ratio and thickness of the thin film layer,
상기 연산 장치는 나노 박막의 임의의 조성비 및 박막층의 두께 중 적어도 하나를 입력받고; 상기 입력된 임의의 조성비 및 박막층의 두께에 따른 이론상 광전자 강도값을 구하고; 상기 이론상 광전자 강도값에 따른 광전자 강도비를 구하고; 특정 나노 박막의 광전자 강도값을 측정하고; 상기 측정된 광전자 강도값에 따 른 실제 광전자 강도비를 구하고; 상기 이론상 광전자 강도비와 상기 실제 광전자 강도비를 비교하여 상기 특정 나노 박막의 조성비 및 박막층의 두께 중 적어도 하나를 구하도록 작동가능하고, The computing device receives at least one of an arbitrary composition ratio of the nano thin film and a thickness of the thin film layer; Obtaining a theoretical photoelectric strength value according to the input arbitrary composition ratio and thickness of the thin film layer; Obtaining an optoelectronic intensity ratio according to the theoretical optoelectronic intensity value; Measuring the photoelectron intensity of the particular nano thin film; Obtaining an actual photoelectron intensity ratio based on the measured photoelectron intensity value; Compare the theoretical optoelectronic intensity ratio with the actual optoelectronic intensity ratio to obtain at least one of the composition ratio of the specific nano thin film and the thickness of the thin film layer,
상기 특정 나노 박막의 광전자 강도값은 각분해 분광 분석기를 이용하여 측정되는 것을 특징으로 한다.The photoelectron intensity value of the specific nano thin film is measured using an angular decomposition spectrometer.
또한, 상기 임의의 조성비 및 박막층의 두께에 따른 이론상 광전자 강도값은 소정의 데이터베이스에 저장된 이론상 광전자 강도값을 추출하여 이용하는 것이 바람직하다.In addition, the theoretical optoelectronic intensity value according to the arbitrary composition ratio and the thickness of the thin film layer is preferably used by extracting the theoretical optoelectronic intensity value stored in a predetermined database.
또한, 상기 나노 박막의 임의의 조성비 및 박막층의 두께 중 적어도 하나를 입력하는 단계에서, 상기 임의의 조성비 및 박막층의 두께는 복수로 입력되는 것이 바람직하다.In addition, in the step of inputting at least one of the arbitrary composition ratio of the nano thin film and the thickness of the thin film layer, it is preferable that a plurality of the arbitrary composition ratio and the thickness of the thin film layer are input.
또한, 상기 나노 박막의 임의의 조성비 및 박막층의 두께 중 적어도 하나를 입력하는 단계에서, 상기 임의의 조성비 및 박막층의 두께는 상기 특정 나노 박막의 조성비 및 박막층의 두께의 예상값에 따라서 결정되는 것이 바람직하다.In addition, in the step of inputting at least one of the arbitrary composition ratio of the nano thin film and the thickness of the thin film layer, the arbitrary composition ratio and the thickness of the thin film layer is preferably determined according to the expected value of the composition ratio of the specific nano thin film and the thickness of the thin film layer. Do.
또한, 본 발명은 컴퓨터에서 구동되고, 상기 나노 박막의 조성 및 구조 분석 방법을 수행하기 위하여 컴퓨터에서 실행가능한 명령어를 갖는 하나 이상의 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품을 포함하는 것이 바람직하다.The invention also preferably includes a computer program product that is run on a computer and includes one or more computer readable media having instructions executable on the computer for performing the composition and structure analysis method of the nano thin film.
본 발명은 광전자 각분해 분광 분석기를 이용하여 나노 박막의 수 나노 두께의 다층 박막 소재를 대기 중에 노출시키지 않고, in-situ 및 비파괴 상태에서 조성 및 구조 분포 분석이 가능하다. 또한, 본 발명은 증착 과정 중 각 단계마다 실시간으로 구조 분석 및 화학적 조성 분석결과를 제공할 수 있다. The present invention enables the composition and structure distribution analysis in the in-situ and non-destructive state without using the photoelectron angular spectroscopic analyzer without exposing the multi-layered thin film material of several nano-thickness of the nano-film in the air. In addition, the present invention may provide a structural analysis and chemical composition analysis results in real time at each step of the deposition process.
또한, 이를 통하여 극표면 상태의 정성적 및 정량적인 해석기술이 확립함으로써 나노 두께의 다층구조박막으로 형성되는 미세 시스템의 구성소재 표면특성의 해석에 적용할 수 있다.In addition, through this, the qualitative and quantitative analysis technology of the polar surface state is established, and thus it can be applied to the analysis of the surface properties of the constituent materials of the micro system formed of the multi-layer structured thin film.
특히, 다층구조 박막에서의 두께와 조성을 체계적으로 해석할 수 있는 모델링은 현재 활발히 연구되고 있는 다층 고유전(high dielectric) 박막의 특성평가에 그대로 적용되어 공정의 안정화를 향상시킬 수 있다. In particular, modeling that can systematically analyze the thickness and composition of a multilayer structure thin film can be applied to the evaluation of the characteristics of a multilayer high dielectric thin film which is being actively studied, thereby improving stabilization of a process.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각분해 분광 분석기를 이용한 나노 박막의 조성 및 구조 분석 방법을 첨부한 도면을 참고로 이하에서 상세하게 설명한다.With reference to the accompanying drawings, a method of analyzing the composition and structure of the nano-thin film using the angular decomposition spectrometer according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail below.
본 발명은 각분해 분광 분석기로 측정한 임의의 원소의 광전자 강도비 값과 특정 원소의 광전자 강도의 이론값을 비교하여 나노 박막의 조성 및 박막층의 두께와 같은 구조를 파악하는 방법에 관한 것이다. 즉, 나노 박막의 광전자 강도는 이륙각이 증가함에 따라 감소하는 변화를 나타내게 되며 기판의 광전자 강도는 증가하는 형태를 나타내게 되는데, 이러한 강도의 이륙각 변화에 따른 증감의 비교로부터 각 결합성분의 상대적인 깊이 분포에 관한 비교가 가능하다는 점을 이용하여 나 노 박막의 조성 및 구조를 시뮬레이션할 수 있다.The present invention relates to a method of determining a structure such as the composition of a nano thin film and the thickness of a thin film layer by comparing the photoelectron intensity ratio value of an arbitrary element measured by an angular spectroscopic analyzer with a theoretical value of the photoelectron intensity of a specific element. That is, the photoelectron intensity of the nano thin film shows a change that decreases as the takeoff angle increases, and the photoelectron intensity of the substrate increases. The relative depth of each bonding component from the comparison of increase and decrease according to the change of takeoff angle of the intensity It is possible to simulate the composition and structure of the nano thin film using the comparison of distributions.
도 1은 본 실시예에 따라 나노 박막의 조성 및 구조를 분석하는 절차를 개략적으로 도시한 흐름선도이다. 1 is a flow diagram schematically illustrating a procedure for analyzing the composition and structure of a nano thin film according to the present embodiment.
도 1에서 보듯이, 먼저 나노 박막의 예상 조성비 및 층의 두께를 입력(S102)하고, 예상 조성비 및 두께에 따른 이론상 광전자 강도값을 구한다(S104).As shown in FIG. 1, first, an expected composition ratio and a thickness of a layer of a nano thin film are input (S102), and a theoretical photoelectron intensity value according to the expected composition ratio and thickness is obtained (S104).
광전자 강도의 이론값을 구하는 방법은 다음과 같다.The theoretical value of the photoelectron intensity is calculated as follows.
먼저, 다층의 박막층을 가진 구조로서 하나의 성분으로 구성된 것일 경우, 박막층의 각 층에서 발생되는 광전자 각각의 강도(I)는 다음의 수학식 1에 따라 계산할 수 있다.First, when the structure having a multi-layered thin film layer and composed of one component, the intensity (I) of each photoelectron generated in each layer of the thin film layer can be calculated according to the following equation (1).
여기서, I0는 시료에 조사되는 X-선의 단위 면적당 입사량이고, A는 분석 면적이며 특정 이륙각 θ에서 A = A0/sinθ(단, A0는 θ=90°일 때 분석 면적)이다. 또한, σa(hυ)는 광자에너지 (hυ)에 의해 a 원자의 특정 에너지 준위에서 발생되는 광전자의 광이온화 단면적이고, D(Ea)는 전자분광계에 의해 전달된 각 전자의 검출 효율, 또한, La(β)는 각 원자로부터 발생된 광전자 강도의 각에 대한 의존성으 로 La(β)=1+1/2β(3/2sin2γ)(단, γ는 입사빔과 광전자 방출방향의 사잇각)로 표시되며, 여기서 β는 비대칭 인자로서 각 원자의 특정 에너지 준위에서 일정한 값을 갖는데, 본 실시예에서는 Reilman et al.에 의한 값을 이용한다. 또한, T(Ea)는 Ea의 에너지를 갖는 광전자에 대한 분석기의 투과함수이고, λ(Ek)는 비탄성 평균자유행로이다. Here, I0 is the incident amount per unit area of X-rays irradiated onto the sample, A is the analysis area, and A = A 0 / sinθ (where A 0 is the analysis area when θ = 90 °) at a specific takeoff angle θ. Further, σ a (hυ) is the photoionization cross section of the photoelectrons generated at a specific energy level of a atom by the photon energy (hυ), and D (E a ) is the detection efficiency of each electron transferred by the electron spectrometer, , L a (β) is the dependence on the angle of the photoelectron intensity generated from each atom, L a (β) = 1 + 1/2/2 (3 / 2sin2γ), where γ is the angle between the incident beam and the photon emission direction Where β is asymmetric and has a constant value at a specific energy level of each atom. In this embodiment, a value by Reilman et al. Is used. Also, T (E a ) is the transmission function of the analyzer for the photoelectrons with energy of E a , and λ (E k ) is the inelastic mean free path.
한편, 다성분계 박막의 분석을 위하여 각 층이 단일 성분으로 구성되어 있지 않고 일정한 분율(Xn)을 가질 경우, 각층에서 발생되는 광전자의 강도는 다음 수학식 2에 의하여 변환된다. On the other hand, for analysis of a multi-component thin film, when each layer is not composed of a single component and has a constant fraction (X n ), the intensity of photoelectrons generated in each layer is converted by Equation 2 below.
임의의 조성비 및 두께에 따른 이론상 광전자 강도를 구하면(S104), 이어서, 구해진 이론상의 광전자 강도에 따른 광전자 강도비를 구한다(S106). 예를 들어, A 및 B의 두 가지 조성으로 구성된 층상구조를 가정하면, 앞에서, A 성분의 이론상 강도를 CA, B 성분의 이론상 강도를 CB라고 가정하면, 각 조성에 따른 이론상 광전자 강도비는 Cn=CA/CB가 된다.If the theoretical photoelectron intensity according to the arbitrary composition ratio and thickness is calculated | required (S104), then the photoelectron intensity ratio based on the calculated theoretical photoelectron intensity | strength is calculated | required (S106). For example, assuming a layered structure composed of two compositions, A and B, suppose that the theoretical intensity of component A is C A , and the theoretical strength of component B is C B. Becomes C n = C A / C B.
이론상의 광전자 강도에 따른 광전자 강도비를 구하면(S106), 이어서, 실제 측정하려는 나노 박막의 광전자 강도값을 직접 측정하고(S108), 이어서 나노 박막의 광전자 강도비를 계산한다(S110). When the photoelectron intensity ratio according to the theoretical photoelectron intensity is obtained (S106), the photoelectron intensity value of the nano thin film to be actually measured is directly measured (S108), and then the photoelectron intensity ratio of the nano thin film is calculated (S110).
구체적으로, 본 실시예에서 광전자 강도값은 각분해 광전자 분광 분석기(ARXPS; angle resolved X-ray photoelectron spectroscopy)를 사용한다. 또한, 실제 광전자 강도의 측정은 다양한 이륙각에 대하여 수행되는 것이 바람직하다. Specifically, the photoelectron intensity value in this embodiment uses an angle resolved X-ray photoelectron spectroscopy (ARXPS). In addition, the measurement of the actual optoelectronic strength is preferably performed for various takeoff angles.
한편, 실제 측정된 광전자 강도를 이용하여 광전자 강도비를 구하는 방법은 다음과 같다. On the other hand, the method for obtaining the photoelectron intensity ratio using the actually measured photoelectron intensity is as follows.
측정하려는 나노 박막의 구성 원소에 대한 광전자 강도를 이륙각의 변화에 따라 측정한다. 예를 들면, A와 B원소로 이루어진 혼합 박막의 경우, 박막 내의 A와 B원소의 광전자 강도를 각각 측정하면 각 원소의 강도가 그래프 상에 수치로 표시 된다. 이때 각 원소의 측정된 수치를 IA와 IB 라고 할 경우 측정된 수치를 IA/IB 의 산술 과정을 해줌으로써 광전자 강도비를 구할 수 있다. The photoelectron intensity for the constituent elements of the nano thin film to be measured is measured according to the change in takeoff angle. For example, in the case of a mixed thin film composed of A and B elements, when the photoelectron intensities of the A and B elements in the thin film are measured, the strength of each element is displayed numerically on the graph. In this case, if the measured values of each element are I A and I B , the photon intensity ratio can be obtained by performing the arithmetic process of the measured values I A / I B.
마지막으로, 이론상의 광전자 강도비와 실제 박막의 광전자 강도비를 비교함으로써 실제 박막을 구성하는 성분의 조성 및 박막층의 두께를 정확하게 시뮬레이션할 수 있다(S112). 즉, 다양한 이륙각에 대하여 측정된 실제 나노 박막의 광전자 강도비는 다음에서 설명하는 것과 같은 그래프로 표시될 수 있는데, 이러한 실제 박막에 대한 광전자 강도비의 그래프를 다양한 조성 및 두께에 대하여 이론상으로 구한 광전자 강도비의 그래프와 비교한 후, 실제 그래프와 가장 근사한 이론상 그래프들을 선택하고, 선택된 이론상 그래프의 조성 및 두께 등의 구조를 확인함으로써 실제 나노 박막의 조성 및 두께 등 구조와 관련된 정보를 정확하게 파악할 수 있다.Finally, by comparing the theoretical photoelectron intensity ratio with the photoelectric intensity ratio of the actual thin film, it is possible to accurately simulate the composition of the components constituting the actual thin film and the thickness of the thin film layer (S112). That is, the photoelectron intensity ratio of the actual nano thin film measured for various takeoff angles can be represented by a graph as described below. The graph of the photoelectron intensity ratio for the real thin film is theoretically obtained for various compositions and thicknesses. After comparing with the graph of the intensity ratio of optoelectronics, the theoretical graphs closest to the actual graphs are selected, and the structure and thickness of the selected theoretical graphs can be checked to accurately understand the structure and thickness information of the actual nano thin film. have.
실험예 1Experimental Example 1
도 2 및 도 3를 참고로 Al2O3와 HfO2로 구성된 다양한 구조의 나노 박막에 대하여 광전자 강도를 이론적으로 계산하는 방법을 이하에서 설명한다.A method of theoretically calculating the photoelectron intensity for the nano thin films having various structures composed of Al 2 O 3 and HfO 2 will be described below with reference to FIGS. 2 and 3 .
먼저, 시료 1인 도 2(a)는 Si 기판 위에 Al2O3와 HfO2가 1:1의 비율로 혼합되어 장착된 경우를 도시하는 도면이다. 또한, 시료 2인 도 2(b)는 Si 기판 위에 Al2O3와 HfO2가 순차적으로 적층된 구조를 도시하는 도면이고, 시료 3인 도 2(c)는 Si 기판 위에 최하층에는 HfO2가 적층되고 위로 갈수록 Al2O3의 함량이 증가하여, 최상층은 Al2O3만으로 적층된 다층 박막 구조를 도시하는 도면이다. 또한, 다양한 두께의 나노 박막에 대한 이론상 광전자 강도값을 제공하기 위하여, 시료 2와 시료 3은 상기 구조의 박막에 대하여 박막의 두께를 각각 하부에서 순차적으로 [1] 1 nm/1 nm/1 nm/1 nm/1 nm, [2] 2 nm/2 nm/2 nm/2 nm/2 nm, [3] 1 nm/2 nm/1 nm/2 nm/1 nm, [4] 2 nm/1 nm/2 nm/1 nm/2 nm로 적층한 경우에 대하여 이론상 강도비를 각각 계산하였다.First, a sample 21 of Fig. (A) is an Al 2 O 3 and HfO 2 on the Si substrate 1: a diagram showing the case that the mounting is mixed at a ratio of 1: 1. In addition, FIG. 2 (b), which is sample 2, shows a structure in which Al 2 O 3 and HfO 2 are sequentially stacked on a Si substrate, and FIG. 2 (c), which is sample 3, has HfO 2 on a Si substrate. Since the content of Al 2 O 3 increases as the layer is stacked upward, the uppermost layer is a diagram showing a multilayer thin film structure laminated with only Al 2 O 3 . In addition, in order to provide theoretical photoelectron intensity values for nano thin films of various thicknesses, Sample 2 and Sample 3 sequentially change the thickness of the thin film at the bottom of the thin film of the structure [1] 1 nm / 1 nm / 1 nm, respectively. / 1 nm / 1 nm, [2] 2 nm / 2 nm / 2 nm / 2 nm / 2 nm, [3] 1 nm / 2 nm / 1 nm / 2 nm / 1 nm, [4] 2 nm / 1 The theoretical intensity ratios were calculated for the case of lamination with nm / 2 nm / 1 nm / 2 nm, respectively.
도 2에 도시된 것과 같은 박막 구조를 갖는 박막 구조에 대하여 본 실시예에 서 설명한 방법을 이용하여 다양한 이륙각에 따른 이론상 강도비(C(Al2O3)/C(HfO2))를 계산한 결과가 도 3에서 도시된다. 즉, 도 3(a)는 시료 1의 다양한 이륙각에 대한 강도비를 계산한 결과를 도시하고, 도 3(b)는 시료 2의 다양한 이륙각 및 박막의 두께에 대한 강도비를 계산한 결과를 도시하고, 도 3(c)는 시료 3의 다양한 이륙각에 대한 강도비를 계산한 결과를 도시한다. 또한, Al2O3 및 HfO2의 IMFP는 1486.6 eV에 해당하는 Al Kα를 소스에너지를 사용할 때, Hf 4f 및 Al 2p의 운동에너지로부터 계산하여 각각 2.88 nm 및 2.83 nm를 대입하였다. The theoretical strength ratio (C (Al 2 O 3 ) / C (HfO 2 )) according to various takeoff angles was calculated using the method described in this embodiment for the thin film structure having the thin film structure as shown in FIG. One result is shown in FIG. 3. That is, FIG. 3 (a) shows the results of calculating the strength ratios for the various takeoff angles of
실험예Experimental Example 2 2
다음으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방법을 이용하여 SiO2와 La2O3로 구성된 박막 나노 박막의 두께 및 조성을 파악한 구체적인 실험결과를 설명한다.Next, specific experimental results of determining the thickness and composition of the thin film nano-film composed of SiO 2 and La 2 O 3 using the method according to the preferred embodiment of the present invention will be described.
먼저, 본 실험에 사용된 SiO2와 La2O3 박막의 두께는 3 nm로 형성하였다. 또한, P. J. Cumpson에 의하여 제안된 비탄성 평균자유행로를 적용하여, Si 2p 전자는 3.7 nm, La 4d전자는 2.3 nm의 비탄성 평균자유행로 값을 적용하였다. 그에 따라, 먼저 SiO2와 La2O3의 비율이 9:1부터 1:9에 이르기까지의 각각의 조성에 대한 이론상 광전자 강도비를 구하고, 그 결과를 도 4(a)에 도시하였다. First, the thicknesses of the SiO 2 and La 2 O 3 thin films used in this experiment were formed to be 3 nm. In addition, by applying the inelastic mean free path proposed by PJ Cumpson, inelastic mean free path values of 3.7 nm for
이어서, 실험에 사용된 SiO2/La2O3 박막에 대한 실제 강도값을 측정하고, 강도비를 계산하였다. 도 4(b)에서 좌측 그래프는 GaAs 기판 상에 증착된 La2O3와 SiO2 혼합 박막의 XPS분석 결과이다. 측정된 결과는 La, Si, Ga peak가 혼합된 상태로 얻어지며 분석을 통하여 각각의 원소의 기여도에 따른 영역을 분리해낼 수 있다. 좌측 그래프에서 검정색으로 표시된 영역은 Si 2p, 흰색으로 표시된 영역은 La 4d peak의 영역을 나타낸다. 이륙각에 변화에 따른 La 4d와 Si 2p peak의 강도비는 다음과 같으며 이 값들을 사용하여 강도비 La 4d/Si 2p를 구할 수 있다. Then, the actual strength value for the SiO 2 / La 2 O 3 thin film used in the experiment was measured, and the intensity ratio was calculated. In FIG. 4B, the left graph shows XPS analysis results of La 2 O 3 and SiO 2 mixed thin films deposited on a GaAs substrate. The measured results are obtained in a state in which La, Si, and Ga peaks are mixed, and the analysis can separate regions according to the contribution of each element. The black area on the left graph shows
이와 같은 과정을 통하여 실제 측정된 강도값의 강도비를 계산하고 이 값을 앞서 계산한 이론치와 비교하였다. 그 결과 실제 강도비는 도 4(b)에 도시된 것과 같이 나타나고, 그에 따라 SiO2와 La2O3는 0.45:0.55로 구성되어 있음을 알 수 있다. Through this process, the intensity ratio of the actual measured strength value was calculated and compared with the theoretical value calculated previously. As a result, the actual strength ratio is shown as shown in Figure 4 (b), it can be seen that SiO 2 and La 2 O 3 is composed of 0.45: 0.55.
다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 박막의 조성 및 구조 분석 시스템은 임의의 조성비 및 박막층의 두께를 갖는 나노 박막의 이론상 광전자 강도값과 특정 나노 박막의 실제 측정된 광전자 강도값을 비교하여 상기 특정 나노 박막의 조성비 및 박막층의 두께 중 적어도 하나를 구하는 연산 장치와, 상기 임의의 조성비 및 박막층의 두께를 갖는 나노 박막의 이론상 광전자 강도값을 저장하는 데이터베이스를 포함한다. 또한, 상기 연산 장치는 나노 박막의 임의의 조성비 및 박막층의 두께 중 적어도 하나를 입력받고; 상기 입력된 임의의 조성비 및 박막층의 두께에 따른 이론상 광전자 강도값을 구하고; 상기 이론상 광전자 강도값에 따른 광전자 강도비를 구하고; 특정 나노 박막의 광전자 강도값을 측정하고; 상기 측정된 광전자 강도값에 따른 실제 광전자 강도비를 구하고; 상기 이론상 광전자 강도비와 상기 실제 광전자 강도비를 비교하여 상기 특정 나노 박막의 조성비 및 박막층의 두께 중 적어도 하나를 구하도록 작동가능하다. 또한, 본 실시예에서 상기 특정 나노 박막의 광전자 강도값은 각분해 분광 분석기를 이용하여 측정된다. 또한, 상기 연산 장치의 각각의 연산 과정은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 박막의 조성 및 구조 분석 방법에 따른 각각의 단계와 실질적으로 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.Next, the composition and structure analysis system of the nano thin film according to the preferred embodiment of the present invention compares the theoretical photoelectric intensity value of the nano thin film having an arbitrary composition ratio and the thickness of the thin film layer with the actual measured photoelectron intensity value of the specific nano thin film And a computing device for obtaining at least one of the composition ratio of the specific nano thin film and the thickness of the thin film layer, and a database for storing theoretical photoelectron intensity values of the nano thin film having the arbitrary composition ratio and thickness of the thin film layer. The computing device may also receive at least one of an arbitrary composition ratio of the nano thin film and a thickness of the thin film layer; Obtaining a theoretical photoelectric strength value according to the input arbitrary composition ratio and thickness of the thin film layer; Obtaining an optoelectronic intensity ratio according to the theoretical optoelectronic intensity value; Measuring the photoelectron intensity of the particular nano thin film; Obtaining an actual photoelectron intensity ratio according to the measured photoelectron intensity value; The theoretical optoelectronic intensity ratio and the actual optoelectronic intensity ratio are operable to obtain at least one of the composition ratio of the specific nano thin film and the thickness of the thin film layer. In addition, in this embodiment, the photoelectron intensity value of the specific nano thin film is measured using an angular decomposition spectrometer. In addition, since each calculation process of the computing device is substantially the same as each step according to the composition and structure analysis method of the nano-thin film according to a preferred embodiment of the present invention will not be described in detail.
또한, 앞에서 설명한 방법 및 시스템은 컴퓨터에서 구동되고, 앞에서 설명한 방법 및/또는 시스템을 이용하여 나노 박막의 성분 및 구조를 분석하기 위한 컴퓨터 실행가능 명령어를 갖는 하나 이상의 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품으로 이용가능함을 이해할 것이다. 즉, 본 발명의 다른 실시예는 하드웨어 및 소프트웨어를 이용한 본 발명의 상기 설명한 다양한 실시예의 실시에 관한 것이다. In addition, the methods and systems described above are computer programs that include one or more computer readable media running on a computer and having computer executable instructions for analyzing the components and structures of the nano thin films using the methods and / or systems described above. It will be appreciated that it is available as a product. That is, another embodiment of the present invention relates to the implementation of the various embodiments described above of the present invention using hardware and software.
또한, 계산 장치 또는 프로세서는 예를 들면 일반적인 목적의 프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 특정 용도용 집적 회로(ASIC), 현장 프로그램 가능 게이 트 어레이(FPGA) 또는 다른 프로그램 가능 로직 장치 등일 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예는 이들 장치의 조합에 의하여도 수행되거나 실시될 수 있다.In addition, the computing device or processor may be, for example, a general purpose processor, digital signal processor (DSP), application specific integrated circuit (ASIC), field programmable gate array (FPGA), or other programmable logic device. Various embodiments of the present invention may also be carried out or practiced by a combination of these devices.
또한, 본 발명의 다양한 실시예가 소프트웨어 모듈에 의하여 또한 실시될 수 있는데, 상기 소프트웨어 모듈은 프로세서에 의하여 실행되거나 하드웨어에서 직접 실행된다. 또한, 소프트웨어 모듈과 하드웨어 수행의 조합도 가능할 수 있다. 소프트웨어 모듈은 예를 들면, RAM, EPROM, EEPROM, 플래시 메모리, 레지스터, 하드디스크, CD-ROM, DVD 등과 같은 임의의 종류의 컴퓨터 판독가능 저장 매체에 저장될 수 있다.In addition, various embodiments of the present invention may also be implemented by software modules, which may be executed by a processor or directly in hardware. In addition, a combination of software modules and hardware implementations may be possible. The software module may be stored in any kind of computer readable storage medium such as, for example, RAM, EPROM, EEPROM, flash memory, registers, hard disks, CD-ROMs, DVDs and the like.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 박막의 조성 및 구조 분석 방법 및 시스템을 상세하게 설명하였다. 하지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 실시예에 대한 다양한 수정 및 변경이 가능하다는 점을 인식할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 오직 뒤에서 설명할 특허청구범위에 의해서만 한정된다.The composition and structure analysis method and system of the nano thin film according to the preferred embodiment of the present invention have been described in detail. However, one of ordinary skill in the art will recognize that various modifications and variations can be made to the embodiment. Therefore, the scope of the present invention is limited only by the claims which will be described later.
도 1은 본 실시예에 따라 나노 박막의 조성 및 구조를 분석하는 절차를 개략적으로 도시한 흐름선도이다. 1 is a flow diagram schematically illustrating a procedure for analyzing the composition and structure of a nano thin film according to the present embodiment.
도 2(a)는 Si 기판 위에 Al2O3와 HfO2가 1:1의 비율로 혼합되어 장착된 경우를 도시하는 도면이고, 도 2(b)는 Si 기판 위에 Al2O3와 HfO2가 순차적으로 적층된 구조를 도시하는 도면이고, 도 2(c)는 Si 기판 위에 최하층에는 HfO2가 적층되고 위로 갈수록 Al2O3의 함량이 증가하여, 최상층은 Al2O3만으로 적층된 다층 박막 구조를 도시하는 도면이다.FIG. 2 (a) is a view showing a case where Al 2 O 3 and HfO 2 are mixed and mounted on a Si substrate in a ratio of 1: 1, and FIG. 2 (b) shows Al 2 O 3 and HfO 2 on a Si substrate. 2 (c) shows a structure in which HfO 2 is stacked on a lowermost layer and an Al 2 O 3 content increases in an uppermost layer on a Si substrate, and the uppermost layer is a multilayered layer of Al 2 O 3 alone. It is a figure which shows a thin film structure.
도 3(a)는 도 2(a)에 따른 다양한 이륙각에 대한 강도비를 계산한 결과를 도시하고, 도 3(b)는 도 2(b)에 따른 다양한 이륙각 및 박막의 두께에 대한 강도비를 계산한 결과를 도시하고, 도 3(c)는 도 2(c)에 따른 다양한 이륙각에 대한 강도비를 계산한 결과를 도시한다. FIG. 3 (a) shows the results of calculating the strength ratios for the various takeoff angles according to FIG. 2 (a), and FIG. 3 (b) shows the various takeoff angles and thicknesses of the thin films according to FIG. 2 (b). The result of calculating the intensity ratio is shown, and FIG. 3 (c) shows the result of calculating the intensity ratio for various takeoff angles according to FIG. 2 (c).
도 4(a)는 SiO2와 La2O3의 비율에 따른 이론상 광전자 강도비를 다양한 이륙각에 대하여 측정한 결과를 도시하는 도면이고, 도 4(b)는 SiO2/La2O3 박막의 실제 강도비와 도 4(a)에 도시된 이론상 광전자 강도비를 비교하는 도면이다.FIG. 4 (a) is a graph showing the results of measuring theoretical optoelectronic intensity ratios at various takeoff angles according to the ratio of SiO 2 and La 2 O 3 , and FIG. 4 (b) is a SiO 2 / La 2 O 3 thin film. Is a comparison between the actual intensity ratio of and the theoretical optoelectronic intensity ratio shown in FIG.
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