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그림 1. 이온빔과 물질의 상호작용.
김 영 석ㆍ우 형 주
서 론
이온빔분석(Ion Beam Analysis)[1]은 1960년대 초 반도체검출기의 발명과 함께 급격한 발전을 거듭하여 오늘에 이르고 있다. 이온빔 분석의 주요 장비인 정전형 가속기는 그 이전에도 많이 존재하였으나 주로 핵물리 실험용으로 사용되었으며 분석을 비롯한 응용분야에 사용되기에는 검출 기술이 너무 불편하였다. 초창기인 1960년대 초에 이미 RBS (Rutherford Backscattering Spectroscopy),[2] Channeling[3] 및 NRA(Nuclear Reaction Analysis)[4,5] 분석법들이 태동하였으며, 1970년대 초에 PIXE[6]분석법이 본격적으로 연구되기 시작하였고 70년대부터 ERD(Elastic Decoil Detection)[7,8] 방법이 확립되었다.
이즈음에 이러한 소규모 가속기로 만들어낼 수 있는 이온빔을 이용한 분석법들의 총칭으로 이온빔분석(Ion Beam Analysis, IBA)이라는 용어가 생겨났으며 1973년부터는 이 분야의 국제학술회의인 IBA conference가 시작되어 매 2년마다 열리고 있다. 1980년대 초에는 이온빔을 집속하여 마이크론 단위의 미세부위를 분석할 수 있는 microprobe기술이 등장하여 오늘에 이르고 있다.[9] 이와 함께 도태 위기에 놓여 있던 소형 정전형 가속기들은 오히려 그 수가 급증하여 현재 전세계적으로 1∼수 MV 급의 정전형가속기는 수백기에 이르고 있다.
현재 이온빔분석은 표면 및 표면근처의 분석수단으로서, 현대의 표면과학 및 반도체를 비롯한 박막소재의 특성평가에 필요불가결한 수단으로 자리잡고 있으며 최근의 초미세 분야의 급격한 발전과 더불어 이온빔분석기술의 활용이 더욱 중요해 질 것으로 예상된다. 미국과 일본, 구주연합 등 선진제국에서는 각 연구기관, 대학 별로 이 기능을 확보하고 있는 것이 거의 당연시 여겨지고 있으나, 우리나라의 경우 인식의 부족으로 인하여 그 응용이 미흡한 수준에 머물러 있다. 저자는 본 기고를 통하여 이온빔 분석의 특징, 장단점, 국내외 이용 현황을 소개함으로서 잠재적 사용자 (potential user)들에게 도움이 되고자 한다.
이온빔분석이란 주로 정전형 가속기로부터 MeV급의 이온빔을 인출하여 분석하고자 하는 시료에 조사하여 여러가지 반응을 유도하고, 그 반응산물을 측정하여 시료의 조성, 두께, 구조 등을 정량적으로 알아내는 분석법이다. 그림 1에서 보는 바와 같이 반응의 종류는 상당히 다양하며 대부분의 반응을 분석에 이용할 수 있지만, 현재 보편적으로 사용되고 있는 방법은 표 1과 같이 요약된다. 때로 LEIS(Low Energy Ion Scattering)이나 MEIS(Medium Energy Ion Scattering)를 이 범주에 포함시키는 경우도 있으나 여기서는 제외하기로 한다. 이온빔분석의 일반적 특징은 절대 정량이 가능하고 따라서 비교체가 없이도 정량분석을 할 수 있다는 점이다. 이러한 특성은 이온빔 분석의 최대의 장점이기도 하며, 따라서 여타 분석법의 정량화 지표로 사용할 수 있다. 일례로 SIMS나 AES등 일반적인 표면분석에 사용되는 표준시료는 거의 이온빔 분석에 의하여 정량된다. 또 하나의 중요한 특징은 주요 장비인 입자가속기만 있으면 표 1에 있는 분석을 대부분 수행할 수 있다는 점이다. 그림 2는 하나의 가속기에 여러가지 이온빔분석 장치를 부착하여 사용하는 전경이다. 각각의 분석법에 대하여 주로 한국자원연구소와 외국의 실험 데이타를 이용하여 소개하고자 한다. 참고로 표 2는 현재 우리나라에서 이온빔분석을 수행하고 있거나 할 수 있는 이온빔 가속기의 보유 현황이다.
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분석방법 |
검출방법 |
주요 용도 |
성능 |
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RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry : 러더포드 후방산란 분광법) |
후방산란된 입자의 에너지를 SSB 검출기, TOF spectrometer 등을 이용하여 측정 |
박막의 두께 및 조성 (가벼운 매질내의 무거운 원소 정량) 적층분석 |
깊이 분해능 100-200Å (heavy ion RBS의 경우 수십Å) |
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ERD (Elastic Recoil Detection : 탄성되튐 검출법) |
입사입자에 의하여 튕겨 나오는 되튐입자를 SSB 검출기, TOF spectrometer 등을 이용하여 측정 |
박막의 두께 및 조성 (무거운 매질내의 가벼운 원소) 주로 H - F 사이의 경원소 적층분석 |
깊이 분해능 200Å (TOF의 경우 30Å) |
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NRA (Nuclear Reaction Analysis : 핵반응 분석법) |
핵반응 산물인 감마, 알파선 등을 측정 |
H, C, N, O, F, Al 등 특정 원소의 적층분석 |
H, 깊이분해능 100Å |
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PIX[G]E (Proton Induced X[γ]-ray Emission : 양성자유발 X[γ]-선 발생) |
발생된 X-선 혹은 γ선을 Si(Li), WDX, HPGe, NaI 검출기 등으로 측정 |
대기분진, 생체, 고고학 시료 등 두꺼운 시료의 성분 분석 |
절대감도 pg |
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channeling 분석 |
결정 격자를 따라 입사된 입자의 반응산물을 상기 분석방법들로 검출 |
박막결정의 구조 및 결함의 종류, 위치 및 함량 정량 분석 |
0.01Å정밀도의 결함 위치 |
RBS
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그림 1. 이온빔과 물질의 상호작용.
그림 2. 소형 입자 가속기의 빔라인 전경(한국자원 연구소 소재).
오른쪽으로부터 PIXE/PIGE, RBS/ERD및
ion implantation/multpurpose line 이다.
RBS는 이온빔분석법 중에서도 가장 먼저 실용화되었으며 측정방법이 간단하여 가장 널리 사용되고 있는 분석법이다. 그림 3은 RBS 시스템의 개략도 이다. 일반적으로 사용되는 입자는 주로 2 - 3 MeV의 헬륨 원자핵이지만 감도, 깊이분해능, 시험깊이(probing depth) 등 관심있는 파라메타에 따라서 양성자나 중이온을 사용하기도 한다. RBS는 주로 적층박막의 분석에 이용되며 특히 반도체 소재, 유전박막, 초전도 박막, 광자기 기록매체 등의 표면근접층의 정확한 성분 조성비의 측정에 많이 활용된다. 일반적으로 depth profiling이 필요한 경우는 SIMS가 주로 이용되며 이 경우 한두 개의 시료를 RBS로 측정하여 정량지표로 활용하는 것이 바람직하다.
1. He RBS
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설치 연도 |
보유기관 |
사양 |
활용분야 |
제작회사 |
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1977 |
서울대학교 부산대학교 전남대학교 |
400 kV single ended |
핵물리실험 |
HVEC |
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1986 |
서울대학교 |
1.5 MV (실제로는 0.8MV) tandem |
RBS, ERD |
자체제작 |
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1988 |
한국자원연구소 |
1.7MV tandem |
Ion Beam Analysis Ion Implantation |
NEC |
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1991 |
한국전자통신연구원 |
1.0MV tandem |
RBS/channeling ERD |
NEC |
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1995 |
한국과학기술연구원 |
2.0MV tandem |
RBS/Channeling Ion Implantation |
NEC |
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1998 |
서울대학교 |
3.0MV tandetron |
AMS |
HVEE |
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HVEC: High Voltage Engineering Co. NEC: National Elactrostatic Co. HVEE: High Voltage Engineering Europa |
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일반적으로 RBS라고 하면 2∼3 MeV의 He 입자를 사용하고 후방산란된 He의 에너지를 반도체 검출기로 측정하는 분석을 의미한다. He이 주로 사용되는 이유는 깊이분해능과 직결되는 반도체 검출기의 에너지분해능이 He보다 무거운 입자의 경우 급격히 저하하고, 가벼운 입자의 경우는 에너지분해능은 비슷하나 저지능이 작아 역시 깊이분해능이 저하되기 때문이다. 깊이분해능은 매질에 따라 다르지만 대략 100 내지 200 Å 정도이며, 분석가능 깊이는 1 ㎛ 정도이다. 표면에 존재하는 불순물의 정량감도는 10131014 atoms/cm2이며, 이를 환산하면 대략 0.01∼0.1 %의 농도의 원소에 대하여 정량이 가능하다고 할 수 있다.
그림 4는 RBS분석의 한 예이다. 시료는 실리콘기판 위에 100 Å 두께의 Ta2O5/SiO2가 4번 반복되어 입혀졌으며, SIMS분석에서 정량을 위한 표준 박막으로 사용할 목적으로 제작되었다. RBS에 의하여 각각의 박막이 잘 분리되어 분석되는 것을 알 수 있다. RBS분석은 기본적으로 절대정량법이다. 즉 조사량과 계측수 그리고 계측기의 효율에 의하여 박막의 두께 및 관심 원소의 조성을 분석하게 된다. 정량의 불확실도는 주로 전하량 측정 및 계산에 사용되는 입사입자의 저지능에 의하여 결정되는데 일반적으로 5 % 내외이다. 따라서 RBS분석은 SIMS나 AES등의 정량도구로 사용할 수 있다. 그림 5는 125 Å에서 4000 Å까지 각각 두께가 다른 백금필름을 정량한 것이다.
그림 3. 일반적인 RBS 분석 시스템.
2. Heavy Ion RBS
He RBS는 손쉽게 일반적으로 사용되는 방법이기는 하지만 몇몇 특수한 경우 적용하기가 어렵다. 특히 분석대상 원소가 매질내의 다른 원소들과 질량이 비슷할 경우에는 분리해 내기가 어렵다. 이 때는 He 보다 무거운 입자를 사용함으로서 질량분해능을 향상시킬 수가 있다. 이 경우 후방산란된 입자를 반도체 검출기로 측정하면 원하는 분해능을 얻을 수가 없기 때문에 TOF(Time-Of-Flight) spectrometer나 magnetic spectrometer를 사용해야 하므로 시스템이 복잡해진다. 일례로 그림 6는 실리콘웨이퍼 위의 50 Å Ti을 He과 O를 이용하여 TOF spectrometer를 사용하여 분석한 결과이다. HE RBS의 경우 Ti의 동위원소들을 거의 구별할 수 없지만 산소핵을 사용한 RBS의 경우는 동위원소들이 깨끗하게 분리되고 있다. 또한 중이온을 이용하면 저지능 증가 효과로 인하여 깊이 분해능의 향상을 기대할 수 있다. 그림 7은 50 Å 간격으로 떨어져 있는 Ta2O5 박막을 O RBS와 He RBS로 측정한 결과이다. O RBS의 경우 두 층이 분리되어 나타나는 것을 볼 수 있다. 보다 높은 에너지의 Cl을 이용할 경우 그림 7보다 훨씬 더 선명하게 분리하는 것도 가능하다.
RBS의 가장 큰 취약점은 분석하고자 하는 원소가 매질의 원소보다 가벼울 경우 측정이 거의 불가능하다는 점이다. 즉 실리콘내의 탄소, 산소 등 경원소는 RBS 측정시 기판물질인 실리콘의 신호에 중첩됨으로서 수십 % 이하의 함량에서는 정량이 어렵다. 이런 문제점을 해결할 수 있는 방법으로 제시된 것이 ERD법이다. ERD법은 RBS와는 반대로 입사입자와의 충돌에 의하여 되튕겨(recoil)나오는 시료내의 구성원소를 측정하는 방법이다. 현재 사용되는 ERD법도 크게 두 가지로 나눌 수 있다. He을 사용하여
수소와 그 동위원소를 정량하는 방법을 보편적으로 ERD 라고 하며 He보다 무거운 입자를 사용하는 방법을 heavy ion ERD라고 한다.
3.1 He ERD
수소는 박막 제조 공정 중 오염이 쉽고 박막의 특성에 큰 영향을 주는 원소지만 정량이 어려운 원소 중 하나이다. He ERD는 He RBS처럼 반도체 검출기만으로 수소 및 그 동위원소를 분석할 수 있는 편리한 방법이다. 단, ERD의 경우 검출기가 시료의 후방에 위치하기 때문에 입사입자와 되튐입자(Recoiled particle)가 동시에 검출기로 들어갈 수가 있으며, 이 경우 입사입자와 되튐입자의 신호를 구별하기 어려우므로, He이 수소보다 비정이 짧은 것을 착안하여 검출기의 전단에 얇은 막을 설치함으로서 수소입자만
통과시키는 방법을 사용한다. 이 방법은 되튐입자가 막을 통과하면서 에너지 분산이 일어나기 때문에 깊이분해능이 200 Å 이상이 되는 단점이 있지만 실험이 간단하기 때문에 수소의 정량분석에는 보편적으로 쓰이는 방법이다. 분석가능 깊이는 대략 1 ㎛ 이내이고 검출한계는 1015 atoms/cm2 정도이다. 보다 나은 깊이분해능이 요구될 때에는 후술하게될 핵반응법을 이용하면 된다. 그림 8은 He ERD를 이용한 수소분석의 실례이다.
그림 6. 실리콘 기판위에 50 A 두께로 입혀진 Ti 박막을 He 및 O 후방산란에 의하여 측정한 결과의 비교
그림 7. 각 50 A 두께의 (Ta2O5/SiO2)2 다중 박막을 He 및 O 후방산란으로 측정한 결과의 비교.
그림 8. 1200 A 의 Si3N4필름에 함유된 수소를 He ERD로 측정한 스펙트럼이다.
그림에서 십자표(+)는 측정치이며 실선(-)은 전산모사한 값이다.
3.2 Heavy Ion ERD
Heavy ion ERD는 RBS분석 뿐만 아니라 기타 어떤 방법으로도 쉽지 않은 탄소, 질소, 산소 등 경원소들의 적층정량분석이 가능하다는 점에서 최근에 각광을 받고 있는 방법이다. Heavy ion ERD는 주로 수십 MeV의 중이온(주로 Cl, Ar, Kr, I 등)을 이용한다. 검출방법은 주로 TOF나 ΔE-E telescope를 사용하지만 수 Å의 고분해능이 필요할 경우 magnetic spectrometer를 사용할 수도 있다. 기존의 널리 보급되어 있는 수 MV급의 소형가속기의 경우 가용한 에너지가 ΔE-E telescope를 사용하기에는 부적합하기 때문에 주로 TOF spectrometer를 사용하고 있다. 따라서 여기서는 ERD- TOF(Elastic Recoil Detection by Time Of Flight) 방법을 소개하고자 한다.
그림 9는 한국자원연구소 ERD시스템의 개념도이다. ERD-TOF는 되튐입자의 비행시간과 에너지를 동시에 측정하여 질량과 에너지 데이타로 환산하는 방법이다. 이 시스템에서는 MCP(MicroChannel Plate)로 이루어진 두 개의 time pickoff detector와 1개의 SSB 검출기를 사용하고 있다. 한국자원연구소 시스템에 의한 질량분해능은 불소 이하의 경원소를 충분히 갈라낼 수 있는 정도이며, 깊이분해능은 50 Å, 분석가능 깊이는 3000 Å 정도이고, 검출감도는 10131014 atoms/ cm2, 즉, 대략 0.1 % 농도의 원소에 대한 적층분석이 가능한 정도이다.
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그림 10은푸른색 발광소자로 이용되는 GaN의 기판으로 이용되는 LiAlO2 박막의 ERD- TOF 스펙트럼이다. 한번의 실험으로 수소부터 알루미늄에 이르는 원소들의 적층분석이 이루어진다. 이 시료는 제조과정에서 탄소오염이 심각함을 알 수 있다. 적층분석은 그림 11와 같이 2차원 scatter plot으로부터 질량이 같은 띠를 분리하여 각각 fitting함으로서 이루어진다.
사용하는 입사입자의 질량과 에너지가 충분히 큰 경우에는 경원소들 뿐아니라 시료내의 전원소를 동시에 분석할 수도 있다. 그림 12는 독일 Hahn-Meitner- Institut의 ERD-TOF 시스템을 이용하여 120 MeV Kr으로 borosilicate glass 위에 5개의 박막을 올려놓은 시료를 측정한 결과이다. 시료내의 모든 원소를 동시에 적층분석할 수 있는 것을 알 수 있다.
NRA
NRA는 핵반응을 이용하여 그 산물을 측정함으로서 분석하는 방법이다. 광의로는 러더포드 산란도 핵반응에 속하지만 보편적으로 NRA는 핵의 내부에 변화가 생기는 경우만을 포함한다. 따라서 NRA법은 보편적이 분석방법이 되지는 못하고 특정한 원소에 대하여 특수한 목적으로만 적용된다. 핵반응의 산물은 양성자, 중성자, 알파입자, 감마선 등 매우 다양하여 측정방법도 일반적으로 논의하기 어렵고 분해능 역시 마찬가지이다. 그러므로 여기서는 NRA중에서도 가장 흔히 사용되고 기타의 방법으로는 분석이 어려운 두 가지 경우에 대하여만 소개하고자 한다.
첫째로 핵반응에 의한 수소의 적층분석을 들 수가 있다. 앞서 논의한 대로 ERD법에 의한 수소의 적층분석은 분해능이 매우 나쁘다. 그러나 H(15N, αγ)반응(공명에너지: 6.385 MeV, 반응단면적: 1650 mb)은 공명핵반응으로서 그 여기함수의 반폭치가 1.8 keV로 매우 작기 때문에 고분해능의 수소 적층분석 수단으로 사용할 수 있다. 그림 13은 Si wafer위에 a-Si 및 ZrO 층을 각각 600 Å 및 300 Å 정도 올린 시료를 H(15N, αγ)반응 및 H(19F, αγ)반응을 이용하여 적층분석한 결과이다. x축이 입사입자의 에너지이고 15N과 19F의 공명에너지와 저지능이 약간씩 다르기 때문에 그림에서 바로 비교하는 것은 문제가 있지만 피크의 분리정도로 보아 전자의 경우가 깊이 분해능이 좋은 것을 알 수 있다. 실리콘 원판의 자연 오염된 수소층으로 깊이분해능을 평가한 결과 15N의 경우 실리콘내의 수소에 대하여 대략 100 Å의 분해능을 갖는 것으로 평가된다.
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그림 13. 핵반응을 이용한 수소 적층 분석의 실례
둘째로 19F(p,p'γ) 혹은 19F(p,αγ) 반응을 이용한 불소의 정량분석이다. 불소는 그 함량이 0.1 % 이하로 작은 경우 ERD-TOF법에 의하여 분석이 불가능하나 이 반응을 사용하면 수십 ppm급까지 정량분석이 가능하다. 불소는 승화성이 있기 때문에 기존의 방법으로는 (적층분석이 아닌) 성분분석도 쉽지 않으며 따라서 핵반응을 이용한 불소분석법은 가장 빈번히 사용되는 분석법 중 하나이다. 유사한 핵반응법에 의하여 수십 ppm급의 분석이 가능한 원소로 Li, B, Na 등을 들 수 있다.
PIXE
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PIXE는 시료에 입사된 양성자가 원자부근을 비행하면서 K각 혹은 L각의 전자를 처낸 후 여기된 원자가 기저상태로 떨어지면서 방출하는 특성 X-선을 계측하는 방법이다. 이 PIXE분석은 이온빔분석법 중에는 비교적 늦은 1970년대 중반에 개발된 방법으로서, 상기한 여타 이온빔 분석이 주로 표면부근의 분석에 관심이 있는데 비하여 주로 벌크분석에 초점을 맞추고 있다는 것이 조금 다르다. 하지만 PIXE분석의 절대감도가 10－12 g으로 뛰어나기 때문에 여타 이온빔분석으로는 검출이 어려운 표면부근이나 박막내의 미량원소의 정량분석에도 손색없이 이용될 수 있다.
그림 14는 한국자원연구소의 PIXE 검출시스템이다. 대개는 시료를 진공중에서 분석하지만 진공중에서 분석이 어려운 시료의 경우 빔을 얇은 창을 통하여 대기중으로 인출하여 조사, 분석하게된다. 이런 시스템을 진공표적함내에서의 PIXE와 구별하여 external beam PIXE (Ext-PIXE)라고 하며, 액상시료, 고고학시료, 거대시료 등의 분석에 주로 이용된다. X-선의 검출은 주로 Si(Li) 검출기를 이용하지만 최근에는 에너지분해능이 훨씬 우수한 WDX 검출기를 사용하는 시스템도 많이 있다. WDX 검출기는 분해능이 eV급에 달하기 때문에 PIXE를 이용하여 화학 결합에 대한 정보를 얻을 수도 있다. 현재로서는 PIXE가 가장 많이 이용되는 분야는 대기분진과 생체시료 분석이다. 위에서 언급한대로 PIXE는 절대감도가 뛰어나기 때문에 ICP, 중성자방사화분석 등 기존의 분석법에 비하여 훨씬 소량의 시료량으로도 ppm급의 분석이 가능하므로 대기분진 분석에서 월등한 장점을 가지고 있다. 일례로 그림 15는 대전시내 대기분진시료를 분석한 결과이다. 분석에 사용된 시료의 양은 수
㎍에 불과하지만 한번의 분석으로 여러 원소의 동시분석이 가능하다. ICP등 기존의 방법을 이용하여 비슷한 감도의 분석을 할 경우 수 백 내지 수 천 배의 시료량이 소요된다. 그림 16은 Si 기판 위의 GeSbTe 박막을 RBS와 PIXE법으로 측정한 결과이다. Sb와 Te는 질량이 각각 122와 128로서 RBS로는 분해되지 않지만 PIXE를 이용하면 각 원소에 대한 정확한 정량이 가능하다는 것을 알 수 있다. 이처럼 PIXE는 RBS의 불량한 질량분해능을 보완하는 방법으로도 사용이 가능하다.
Channeling
이온빔분석 중에서 박막결정 및 표면, 계면 연구 분야에 가장 많이 사용되고 있는 방법이 channeling 분석이다. channeling이란 결정 내에서 비행하는 입자의 방향이 결정의 channel 방향 근처일 경우 격자원자핵들의 collective potential에 의하여 입자가 channel을 따라 이동하게 되는 현상이다. 엄밀히 말해서
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그림 16.RBS와 PIEX 방법에 의한 Si 기판위의 GeSbTe 박막 분석 결과의 비교
그림 17. RBS/Channeling 분석 시스템의 일례.분석할 시료는 3회전축을 가진 고니오메타 위에 장착된다.
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그림 19. GaAs의 임의의 방향 및 {100면}. {110}축 방향으로 He을 입사했을 때 후방 산란된 He 스펙트럼의 비교.
channeling은 현상일 뿐 그 자체로 분석법이 되지는 않는다. 대개는 channeling 현상을 RBS분석에 의하여 측정하기 때문에 일반적으로는 channeling이라고 하면 RBS/channeling법을 지칭한다. 즉 분석하고자 하는 결정의 channel을 따라 진행하던 입사입자가 산란되는 양상을 RBS법에 의하여 측정하여 그 결정의 구조, 결함의 종류 및 양을 분석하는 것을 channeling분석이라고 한다. 그러나 경우에 따라서는 PIXE/channeling 혹은 NRA/ channeling 분석이 사용되기도 한다.
Channeling 실험을 위하여는 시료를 정밀하게 움직일 수 있는 goniometer와 RBS 검출시스템이 필수적이다. 그림 17은 한국자원연구소 channeling 시스템으로서 시료의 방향을 0.001o 간격으로 움직일 수 있는 3개의 회전축으로 이루어진 goniometer와 SSB 검출기로 구성되어 있다.
그림 18은 약 3o 정도 기울여 절단한 [100] GaAs wafer에 대한 polar scan 결과이다. Polar scan에 의하여 결정의 축방향을 정확하게 측정해 낼 수 있음을 쉽게 알 수 있다. 그림 19는 입사방향을 결정축, 결정면 혹은 임의의 방향으로 하였을 때 후방산란 스펙트럼의 변화를 보여준다. 축 방향으로 입사할 경우 임의의 방향에 비하여 후방산란될 확률이 4.7 %에 불과한 것을 쉽게 알 수 있다. 따라서 이 특성을 이용하면 결정내 불순물의 위치나 결정의 상태 등을 쉽게 측정할 수 있을 것을 예상할 수 있다. 표 3은 channeling분석을 활용할 수 있는 연구분야의 요약이다.
표 3에서와 같이 channeling은 다양한 목적으로 활용되지만 일일이 그 예를 열거할 수 없으므로 여기서는 초전도 연구에 이용된 예를 하나만 들기로 한다. 그림 20은 고온초전도체로는 가장 흔히 연구되는 YBCO의 Y를 화학적 성질이 유사한 Er으로 대치한 결정에 대한 channeling 실험 결과이다. 그림에서 우물의 반폭치는 결정의 축방향 근처에서 입사입자의 입사각을 scan했을 때 channeling을 벗어나게 되는 각도를 의미한다. 즉 반폭치가 클수록 그 channel은 입사입자를 channeling 시키는 힘이 강하다고 할 수 있다. 그 반폭치를 온도의 함수로 측정하였을 때 Er-Ba-Cu 후방산란 신호의 경우 80 K와 100 K 사이에서 불연속점이 나타나지만 Er-Ba 후방산란 신호는 그렇지 않은 것을 알 수 있다. 한편 이 온도는 이 초전도체의 임계온도라는 것이 알려져 있다. 그러므로 이 물질의 초전도성은 Cu-O sublattice에 의존한다는 사실을 유추할 수 있다. 이 실험은 channeling이 결정의 진동특성을 얼마나 명쾌하게 측정할 수 있는가를 보여주는 좋은 예이다.
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분야 |
대상 |
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방사선 상해 연구 |
반도체, 금속, 절연체 |
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결정의 결함 연구 |
dislocation, stacking faults, point defects 등 |
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표면 및 계면 연구 |
원자배열, 흡착 등 |
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박막분석 연구 |
백그라운드감소 |
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Epitaxial layer 연구 |
결정성장, superlattice |
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결정의 상변화 연구 |
벌크 전이, 상 분리 |
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결정내 불순물 연구 |
원자의 위치, 불순물의 trapping, 반도체 및 금속내의 고체의 용해도 |
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결 언
이온빔 분석은 지금까지 살펴본 바와 같이 박막, 표면 및 벌크시료의 분석에 이르기까지 매우 다양한 용도로 활용되고 있으며, 특히 박막의 특성평가에 있어 이온빔 분석법은 거의 필수 불가결한 수단으로 자리매김이 되어 있다. 그럼에도 불구하고 국내의 경우 아직도 그 사용빈도가 극히 미미한 수준에 머물러 있다. 본 글을 통하여 이온빔 분석의 유용성이 조금이라도 인식되어 이 분야의 연구자와 사용자 집단이 좀더 활발히 교류하며 서로 발전하게 되기를 기대한다.
참 고 문 헌
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[9] G. J. F. Legge, A. Saint, G. Bench, J. Laird and M. Cholewa, Nucl. Instr. and Meth. B64, 342-348 (1992).
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김영석 박사는 독일 뮨헨공대 물리학과 핵물리 박사(1992)로서 1984년부터 한국자원연구소 방사선응용분석연구그룹장으로 재직 중이다. (kimys@kigam.re.kr) 우형주 박사는 서울대학교 원자핵공학과 원자핵공학 박사(1986)로서 1987년부터 한국자원연구소 책임연구원으로 재직 중이다. |
