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박막

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1. 개요

박막은 기판 위에 얇게 증착된 재료의 층을 의미하며, 다양한 기술과 응용 분야를 가지고 있다. 박막 증착 기술은 물리 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD), 액상 증착 등으로 나뉘며, 각 기술은 진공 증착, 분자선 에피택시, 스퍼터링, 열 CVD, 원자층 증착 등 세부적인 방법들을 포함한다. 박막의 성장은 프랭크-반 데르 메르베, 스트란스키-크라스타노프, 볼머-베버의 세 가지 방식으로 분류되며, 에피택시 성장을 통해 기판의 결정 구조를 따라 성장하는 박막을 만들 수 있다. 박막은 장식용 코팅, 광학 코팅, 보호 코팅, 전기적 특성 코팅, 바이오센서, 태양 전지, 배터리 등 다양한 분야에 활용되며, 응력, 변형, 다층 구조와 같은 기계적 특성이 응용 분야에 중요한 영향을 미친다. 박막의 두께와 응력은 다양한 측정 및 평가 방법을 통해 분석된다.

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박막
지도 정보
기본 정보
정의재료의 얇은 층
두께마이크로미터 또는 나노미터 단위
기술
형성 방법물리 기상 증착 (PVD)
화학 기상 증착 (CVD)
원자층 증착 (ALD)
스퍼터링
레이저 어블레이션
분자선 에피택시 (MBE)
전해 증착
졸겔 법
스핀 코팅
랑뮈어-블로젯 필름
증착 과정원자 또는 분자가 기체 상태에서 고체 표면에 증착
재료 특성, 증착 방법, 기판 온도가 박막 품질에 영향
응용 분야
반도체트랜지스터
집적 회로
태양 전지
발광 다이오드 (LED)
광학반사 방지 코팅
필터
거울
저장 매체자기 저장 매체
광 저장 매체
센서가스 센서
압력 센서
기타보호 코팅
장식 코팅
생체 적합 재료
관련 기술
관련 기술박막 트랜지스터
박막 태양 전지
박막 배터리
박막 광학
박막 센서
박막 코팅
자기 박막
연구 분야
연구 분야새로운 박막 재료 개발
증착 공정 최적화
박막 특성 분석
나노 구조 박막 연구
응용 분야 확장
추가 정보
박막의 특징박막은 벌크 재료와 다른 특성 가짐
높은 표면적 대 부피 비율
양자 역학적 효과
재료의 미세 구조 및 결정학적 특성 제어 가능
기타
산업 표준국제전기기술용어 (IEV) 523-05-02

2. 큰 기판에 고정밀 박막 증착

큰 기판에 고정밀 박막을 균일하게 증착하는 기술은 대면적 디스플레이, 태양 전지 등의 생산에 필수적이다. 선형타겟 기술과 HiHUS 플라즈마 스퍼터링 기술은 정밀도, 균일성, 스트레스 제어 등에서 큰 개선을 보여주었다.

2. 1. 선형 타겟 기술

박막 증착에서 주요한 장애물 중 하나는 큰 기판을 고정밀하게 모노나 멀티 레이어로 증착하는 능력이다. 선형타겟 기술과 같은 HiHUS 플라즈마 스퍼터링 기술은 정밀도, 균일성, 수축에서 0 사이의 장력으로 스트레스를 제어하는 등 요구되는 결과에서 큰 개선을 보여주었고, 기판 위의 표면차 측정은 대략 50cm에서 60cm 사이이다. 선형타겟은 롤투롤이나 인라인 처리에서 HiTUS와 같은 동등한 이점이 있는 큰 면적 선형 처리의 개발도 가능하다.

2. 2. 롤투롤 및 인라인 처리

박막 증착에서 주요한 장애물 중 하나는 큰 기판을 고정밀하게 모노나 멀티 레이어를 증착하는 능력이다. 선형타켓 기술과 같은 HiHUS 플라즈마 스퍼터링 기술은 정밀도, 균일성, 수축에서 0 사이의 장력으로 스트레스 제어 같은 요구된 결과로 큰 개선을 보여주었고, 기판 위의 표면차 측정은 대략 50cm에서 60cm 사이이다. 선형 타겟은 롤투롤이나 인라인 처리에서 HiTUS 같은 동등한 이점이 있는 큰 면적 선형 처리의 개발도 가능하다.

3. 박막 증착 기술

박막 증착 기술은 크게 용융법, 용액법, 기상 증착법으로 분류된다.[58]


  • 용융법: 액상 에피택시(LPE) 등
  • 용액법: 도금, 졸-겔법, 스핀 코팅, 스프레이법, 인쇄, 잉크젯 등
  • 기상 증착법: 물리 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD)


이 중 용액법은 액체 상태의 전구체를 사용하여 기판 위에 박막을 형성하는 방식으로, 다음과 같은 세부 기술들이 있다.

방법설명
도금주로 증착할 금속의 염이 녹아있는 수용액을 전구체로 사용한다.
졸-겔법유기금속 분말 용액과 같은 액체 전구체를 유기 용매에 용해하여 사용한다.
스핀 코팅기판 위에 용액을 떨어뜨리고 고속으로 회전시켜 얇고 균일한 막을 형성한다.
스프레이법용액을 미세한 입자로 분사하여 기판에 코팅한다.
인쇄
잉크젯잉크젯 프린터의 원리를 이용하여 미세한 패턴의 박막을 형성한다.


3. 1. 물리 기상 증착 (PVD)

물리기상증착(PVD)은 물리적 방법을 사용하여 고체 물질을 기체 상태로 만들어 기판 위에 증착하는 방식이다. 진공 상태에서 고체 물질을 가열하여 증발시키거나, 플라즈마를 이용하여 고체 물질의 원자를 튕겨내어 기판에 증착시킨다.

PVD 방식은 다음과 같이 세분화된다.

PVD 세부 방식
방식설명
진공 증착진공에서 물질을 증발시켜 기판에 증착
스퍼터링플라즈마 이온/원자를 타겟에 충돌시켜 튕겨 나온 원자를 기판에 증착
이온빔 증착이온화된 입자를 가속하여 기판에 증착
Cathodic arc deposition|음극 아크 증착영어 (Arc-PVD)고진공에서 음극 아크 방전으로 이온화된 물질 증착
펄스 레이저 증착(PLD)고출력 펄스 레이저로 플라즈마를 생성하여 증착
열 레이저 에피택시연속파 레이저로 재료를 증발시켜 기판에 증착


3. 1. 1. 진공 증착

물질을 진공 상태에서 증발시켜 기판 위에 박막을 성장시키는 방법이다.

  • 저항가열증착
  • Electron-beam physical vapor deposition|전자빔가열증착영어
  • Pulsed laser deposition|펄스레이저증착영어 (PLD)
  • 분자선 에피택시법 (MBE)
  • 이온/라디칼 증착

3. 1. 2. 분자선 에피택시 (MBE)

분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy, MBE)는 고진공 상태에서 분자 또는 원자 빔을 기판에 충돌시켜 결정 성장을 제어하는 정밀 박막 증착 기술이다.[26] 에피택시 성장에 사용되는 기술 중 하나이다.

3. 1. 3. 스퍼터링

플라즈마 내 이온을 타겟 물질에 충돌시켜 원자를 튕겨내 기판에 증착하는 방식이다.[26] 고에너지의 이온이나 원자를 타겟 물질에 충돌시켜 타겟 물질의 표면에서 원자가 튀어나오는 것을 이용한다.[26]

박막 증착에서 주요한 장애물 중 하나는 큰 기판을 고정밀하게 모노나 멀티 레이어를 증착하는 능력이다. 선형타켓 기술과 같이 HiHUS 플라즈마 스퍼터링 기술은 정밀도, 균일성, 수축에서 0 사이의 장력으로 스트레스 제어 같은 요구된 결과로 큰 개선을 시연하였고, 기판 위의 표면차 측정은 대략 50/60 cm이다. 선형타겟은 롤투롤이나 인라인 처리에서 HiTUS같은 동등한 이점이 있는 큰 면적 선형처리의 개발도 가능하다.

3. 1. 4. 이온빔 증착

이온빔 증착은 이온화된 입자를 가속하여 기판에 증착하는 방식이다. 물리기상증착법(PVD)의 일종으로, 고에너지의 이온이나 원자를 타겟 물질에 충돌시켜 타겟 물질의 표면에서 원자가 튀어나오는 스퍼터링 현상을 이용한다.

3. 1. 5. 음극 아크 증착

Cathodic arc deposition영어 또는 Arc-PVD는 고진공에서 음극에 아크 방전을 일으켜 이온화된 물질을 증착하는 물리기상증착법(PVD)의 한 종류이다.

3. 1. 6. 펄스 레이저 증착 (PLD)

펄스 레이저 증착(PLD)은 물리기상증착(PVD) 방법 중 하나로, 고출력 펄스 레이저를 타겟 물질에 조사하여 플라즈마를 생성하고, 이를 기판에 증착하여 박막을 형성하는 기술이다.[26] 이 기술은 박막의 에피택시 성장에 사용될 수 있다.[26]

3. 1. 7. 열 레이저 에피택시

펄스 레이저 증착(PLD)은 기판 위에 박막을 성장시키는 물리 기상 증착법(PVD)의 한 종류이다. 펄스 레이저 증착(PLD)과는 달리, 연속파 레이저를 사용하여 재료를 증발시키고 기판에 증착하는 방식을 열 레이저 에피택시라고 한다.

3. 2. 화학 기상 증착 (CVD)

화학 기상 증착(CVD)은 기체 상태의 원료 물질을 화학 반응을 통해 기판 위에 고체 박막으로 증착하는 방식이다.[4] 분자선 에피택시, 랭뮤어-블로젯 방법, 원자층 증착 및 분자층 증착을 통해 한 번에 단일 층의 원자 또는 분자를 증착할 수 있다. 이는 광학(예: 반사, 반사 방지 코팅 또는 자체 세척 유리) 전자공학(절연체, 반도체, 도체 층이 집적 회로를 형성), 포장(즉, 알루미늄 코팅 PET 필름) 및 현대 미술( 래리 벨의 작품 참조) 제조에 유용하다.

3. 3. 액상 증착

액상 증착은 용액 상태의 전구체를 사용하여 기판 위에 박막을 형성하는 방식이다. 화학적 증착의 일종으로, 액체 전구체가 고체 표면에서 화학적 변화를 겪어 고체 층을 남기는 원리를 이용한다.

액상 증착 방법에는 다음과 같은 것들이 있다.

방법설명
도금주로 증착할 금속의 염이 녹아있는 수용액을 전구체로 사용한다.
졸-겔법유기금속 분말 용액과 같은 액체 전구체를 유기 용매에 용해하여 사용한다.
스핀 코팅기판 위에 용액을 떨어뜨리고 고속으로 회전시켜 얇고 균일한 막을 형성한다.
딥 코팅기판을 용액에 담갔다가 꺼내는 방식으로, 용액이 기판 표면에 얇게 코팅된다.
랭뮤어-블로젯(LB)법수성 하부상 위에 떠 있는 분자를 사용하여 박막을 형성한다.
스프레이법용액을 미세한 입자로 분사하여 기판에 코팅한다.
잉크젯 프린팅잉크젯 프린터의 원리를 이용하여 미세한 패턴의 박막을 형성한다.


3. 3. 1. 도금

도금은 액체 전구체(주로 증착할 금속의 염이 녹아있는 수용액)를 사용한다. 일부 도금 공정은 용액 내 시약에 의해 완전히 구동되지만(주로 귀금속의 경우), 가장 상업적으로 중요한 공정은 전기도금이다. 반도체 제조에서, 전기화학적 증착으로 알려진 전기도금의 고급 형태는 고급 칩에서 구리 도전성 와이어를 만드는 데 사용되고 있으며, 이는 이전 세대 칩에서 알루미늄 와이어에 사용되었던 화학적 및 물리적 증착 공정을 대체한다.[5]

3. 3. 2. 졸-겔법

화학 용액 증착은 유기 용매에 용해된 유기금속 분말 용액과 같은 액체 전구체를 사용하는 방법이다. 이 방법은 비교적 저렴하고 간단하게 박막을 만들 수 있으며, 화학량론적으로 정확한 결정상을 생성할 수 있다. 이 기술은 '졸'(또는 용액)이 점차 겔과 같은 이상계로 변화하기 때문에 졸-겔 방법으로도 알려져 있다.[6]

3. 3. 3. 스핀 코팅

기판 위에 용액을 떨어뜨리고 고속으로 회전시켜 얇고 균일한 막을 형성하는 방법이다. 용액의 회전 속도와 졸의 점도가 증착된 필름의 최종 두께를 결정한다.[7] 원하는 필름 두께를 얻기 위해 반복적으로 증착할 수 있다. 비정질 스핀 코팅 필름을 결정화하기 위해 열처리를 하기도 한다.[7]

3. 3. 4. 딥 코팅

딥 코팅은 기판을 용액에 담갔다가 꺼내는 방식으로, 이 과정을 통해 용액이 기판 표면에 얇게 코팅된다. 스핀 코팅과 유사하게 액체 전구체 또는 졸-겔 전구체를 사용하지만, 기판을 용액에 완전히 담근 후 제어된 조건 하에서 꺼낸다는 차이점이 있다.[8]

필름의 두께, 균질성, 그리고 나노스코픽 형태는 인출 속도, 증발 조건 (주로 습도 및 온도), 용매의 휘발성 및 점도를 조절하여 제어할 수 있다. 매우 낮은 인출 속도에서는 모세관 영역이, 빠른 증발 속도에서는 배수 영역의 두 가지 증발 체제가 나타난다.[8]

3. 3. 5. 랭뮤어-블로젯 (LB)법

랭뮤어-블로젯법은 수성 하부상 위에 떠 있는 분자를 사용한다. 분자의 충전 밀도가 제어되고, 포장된 단분자층은 하부상에서 고체 기판을 제어된 속도로 빼냄으로써 고체 기판에 전사된다. 이를 통해 나노입자, 중합체, 지질과 같은 다양한 분자의 박막을 제어된 입자 충전 밀도 및 층 두께로 생성할 수 있다.[6]

3. 3. 6. 스프레이법

스프레이법은 용액을 미세한 입자로 분사하여 기판에 코팅하는 방법이다.

3. 3. 7. 잉크젯 프린팅

잉크젯 프린터의 원리를 이용하여 미세한 패턴의 박막을 형성하는 방법이다.

4. 핵 생성

핵 생성은 박막 성장 초기 단계에서 기판 표면에 원자 또는 분자가 모여 핵을 형성하는 과정으로, 박막의 최종 구조와 특성에 큰 영향을 미친다.[2] 원자층 에피택시(원자층 증착)와 같이 핵 생성 제어에 의존하는 성장 방법들이 많다. 핵 생성은 흡착, 탈착, 표면 확산과 같은 표면 과정을 통해 모델링될 수 있다.[2]

핵생성 동역학은 흡착과 탈착만을 고려하여 모델링할 수 있는데, 상호 작용하는 흡착 원자가 없고 클러스터링이나 계단 모서리와의 상호 작용이 없는 경우를 먼저 고려한다.

핵 생성과 관련된 더 자세한 내용은 하위 섹션을 참고한다.

4. 1. 흡착 및 탈착

핵 생성은 박막의 최종 구조를 결정하는 데 중요한 성장 단계이다. 기체 원자 또는 분자가 기판 표면에 달라붙는 현상(흡착)과 표면에서 떨어져 나가는 현상(탈착)은 핵 생성의 기본 과정이다.[2]

흡착은 기체 원자 또는 분자와 기판 표면 사이의 상호작용이며, 흡착 계수로 특징지어진다. 흡착 계수는 표면과 열적 평형을 이룬 유입 종의 비율을 나타낸다. 탈착은 흡착의 반대 과정으로, 이전에 흡착된 분자가 결합 에너지를 극복하고 기판 표면을 떠나는 것을 의미한다.[2]

흡착에는 두 가지 유형이 있는데, 물리흡착과 화학흡착은 원자 상호작용의 강도에 따라 구분된다. 물리흡착은 분자와 표면 사이의 반데르발스 결합을 통해 이루어지며, 흡착 에너지 E_{p}로 특징지어진다. 증발된 분자는 빠르게 운동 에너지를 잃고 표면 원자와 결합하여 자유 에너지를 감소시킨다. 화학흡착은 분자와 기판 원자 사이의 강한 전자 전달(이온 결합 또는 공유 결합)을 통해 이루어지며, 흡착 에너지 E_{c}로 특징지어진다. 물리흡착의 평형 거리는 화학흡착보다 표면에서 더 멀리 떨어져 있으며, 물리흡착 상태에서 화학흡착 상태로의 전이는 유효 에너지 장벽 E_{a}에 의해 결정된다.[2]

결정 표면에는 더 큰 E_{a} 값을 갖는 특정 결합 부위가 존재하며, 기체 분자는 이러한 부위를 우선적으로 채워 전체 자유 에너지를 줄인다. 이러한 안정적인 부위는 주로 계단 모서리, 공석 및 나선형 전위에서 발견된다. 가장 안정적인 부위가 채워진 후에는 흡착 원자-흡착 원자(기체 분자) 상호작용이 중요해진다.[3]

핵생성 동역학은 흡착과 탈착만을 고려하여 모델링할 수 있다. 흡착 원자 표면 밀도 n의 변화율은 다음과 같이 표현된다.

:{dn\over dt}=J \sigma-{n\over \tau_{a}}

여기서 J는 순 유속, \tau_{a}는 탈착 전 평균 표면 수명, \sigma는 부착 계수이다.

흡착은 랭뮤어 모델 및 BET 모델과 같은 등온식으로도 모델링할 수 있다. 랭뮤어 모델은 기판 표면의 빈자리와 증기 흡착 원자의 흡착 반응을 기반으로 평형 상수 b를 도출한다. BET 모델은 더 나아가 인접한 원자 더미 사이의 상호 작용 없이 이전에 흡착된 흡착 원자에 흡착 원자의 증착을 허용한다.

흡착된 흡착 원자의 증기압이 P_{A}인 랭뮤어 모델은 다음과 같다.

:\theta = {bP_{A}\over (1+bP_{A})}

흡착된 흡착 원자의 평형 증기압이 p_{e}이고 흡착된 흡착 원자의 적용된 증기압이 p인 BET 모델은 다음과 같다.

:\theta ={X p \over (p_{e}-p)\left[1+(X-1){p\over p_{e}}\right]}

표면의 끊어진 결합으로 인해 전자 및 결합 에너지의 전체 자유 에너지를 최소화하기 위해 표면 결정학은 벌크와 다르다는 점에 유의해야 한다. 이는 평행한 벌크 격자 대칭이 유지되는 “셀베지(selvedge)”로 알려진 새로운 평형 위치를 초래할 수 있으며, 핵생성의 이론적 계산에서 편차를 야기할 수 있다.[2]

4. 2. 표면 확산

표면 확산은 기판 표면에 흡착된 원자나 분자가 표면을 따라 이동하는 현상이다. 이는 에너지 최소점 사이를 이동하는 측면 이동으로, 가장 낮은 중간 퍼텐셜 장벽을 가진 위치에서 가장 잘 일어난다. 표면 확산은 입사각 이온 산란을 사용하여 측정할 수 있다. 사건 사이의 평균 시간은 다음과 같이 설명할 수 있다.[2]

:\tau_{d}=(1/v_{1})\exp(E_{d}/kT_{s})

흡착 원자 이동 외에도, 흡착 원자 클러스터는 합쳐지거나 고갈될 수 있다. 오스트발트 성장(Ostwald ripening) 및 소결과 같은 과정을 통한 클러스터 합체는 시스템의 총 표면 에너지를 줄이기 위해 발생한다. 오스트발트 성장은 크기가 다른 흡착 원자 섬이 작은 섬을 희생하여 더 큰 섬으로 성장하는 과정이다. 소결은 섬이 접촉하고 합쳐질 때의 합체 메커니즘이다.[2]

5. 박막의 성장 방식

박막 증착은 재료의 얇은 막을 기판 또는 이전에 증착된 층 위에 증착하는 모든 기술을 의미한다. "얇은"은 상대적인 용어이지만, 대부분의 증착 기술은 몇십 나노미터 이내의 층 두께를 제어한다. 분자선 에피택시, 랭뮤어-블로젯 방법, 원자층 증착 및 분자층 증착을 통해 한 번에 단일 층의 원자 또는 분자를 증착할 수 있다.[4]

6. 에피택시 성장

에피택시 성장은 결정질 기판 위에 특정 결정 방향으로 박막을 성장시키는 기술이다.

7. 박막의 기계적 거동

박막 내 응력(stress) 발생과 완화는 미세전자(microelectronics) 응용 분야에서 질량 수송(mass transport)과 같이 박막 물성에 영향을 줄 수 있다. 이러한 응력을 완화하거나 생성하기 위해 기판(substrate)과 박막 사이에 완충층(buffer layer)을 증착하는 등의 예방 조치가 취해진다.[30] 또한, 변형 공학(strain engineering)은 강유전체(ferroelectric)인 지르콘산티탄산납(Lead Zirconate Titanate, PZT)의 도메인 구조(domain structure)와 같이 박막에서 다양한 상(phase) 및 도메인 구조를 생성하는 데 사용된다.[44]

7. 1. 응력 (Stress)

박막은 기판과의 계면에서 발생하는 응력에 의해 이축으로 하중을 받을 수 있다. 에피택시 박막은 박막과 기판의 결정격자 간 불일치 변형과 표면 삼중 접합의 재구성으로 인한 응력을 경험할 수 있다.[27] 계면 에너지 차이와 결정립 성장 및 합착은 박막의 고유 응력에 기여하며, 이러한 고유 응력은 박막 두께의 함수일 수 있다.[29][30] 이러한 응력은 인장 또는 압축일 수 있으며 균열, 좌굴, 또는 표면을 따라 박리를 일으킬 수 있다.

박막의 응력 변화를 결정하는 일반적인 방법은 증착 중 웨이퍼 곡률을 측정하는 것이다. 스토니[37]는 다음 식을 통해 박막의 평균 응력을 곡률과 관련짓는다.

:\kappa=\frac{6\langle \sigma \rangle h_f}{M_sh^2_s}

여기서 M_s = \frac{\Epsilon}{1-\upsilon}이며, \Epsilon은 박막을 구성하는 물질의 벌크 탄성 계수이고, \upsilon은 박막을 구성하는 물질의 포아송 비, h_s는 기판의 두께, h_f는 박막의 두께, \langle \sigma \rangle는 박막의 평균 응력이다. 스토니 공식은 박막과 기판이 웨이퍼의 측면 크기보다 작고 응력이 표면 전체에 걸쳐 균일하다는 것을 전제로 한다.[38] 주어진 박막의 평균 응력 두께는 주어진 박막 두께에 걸쳐 응력을 적분하여 결정할 수 있다.

:\langle \sigma \rangle = \frac{1}{h_f} \int_{0}^{h_f} \sigma(z) dz

여기서 z는 기판에 수직인 방향이고 \sigma(z)는 박막의 특정 높이에서의 현장 응력을 나타낸다. 응력 두께(또는 단위 폭당 힘)는 \langle \sigma \rangle h_f로 나타내며, \frac{6}{M_s h_s^2}에 의해 곡률과 비례한다.

박막 내 응력 발생과 완화는 미세전자 응용 분야에서의 질량 수송과 같이 박막의 물성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 응력을 완화하거나 생성하기 위해 예방 조치가 취해지는데, 예를 들어 기판과 박막 사이에 완충층을 증착할 수 있다.[30] 또한, 변형 공학은 강유전체인 지르콘산티탄산납(PZT)의 도메인 구조와 같이 박막에서 다양한 상 및 도메인 구조를 생성하는 데 사용된다.[44]

7. 1. 1. 열 응력

박막은 기판과의 열팽창 계수 차이로 인해 고온에서 성장한 후 열응력이 발생한다.[28] 박막과 기판의 열팽창 계수 불일치는 온도 변화 중 열 변형을 야기한다. 기판에 대한 박막의 탄성 변형률은 다음과 같이 주어진다.

:\varepsilon = -(\alpha_f-\alpha_s)(T-T_0)

여기서 \varepsilon는 탄성 변형률, \alpha_f는 박막의 열팽창 계수, \alpha_s는 기판의 열팽창 계수, T는 온도, 그리고 T_0는 응력이 없는 상태의 박막과 기판의 초기 온도이다. 예를 들어, 고온에서 열팽창 계수가 더 낮은 기판에 박막이 증착된 후 상온으로 냉각되면 양의 탄성 변형률이 생성된다. 이 경우 박막에는 인장 응력이 발생한다.[32]

7. 1. 2. 성장 응력

박막은 기판과의 계면에서 발생하는 응력에 의해 이축으로 하중을 받을 수 있다. 에피택셜 박막은 박막과 기판의 일치하는 결정격자 간의 불일치 변형과 표면 삼중 접합의 재구성으로 인한 응력을 경험할 수 있다.[27] 기판과의 열팽창 계수 차이로 인해 고온에서 성장한 박막에서는 열응력이 일반적이다.[28] 계면 에너지의 차이와 결정립의 성장 및 합착은 박막의 고유 응력에 기여한다. 이러한 고유 응력은 박막 두께의 함수일 수 있다.[29][30] 이러한 응력은 인장 또는 압축일 수 있으며 균열, 좌굴, 또는 표면을 따라 박리를 일으킬 수 있다. 에피택셜 박막에서 초기 증착된 원자층은 기판과 일치하는 격자면을 가질 수 있다. 그러나 임계 두께를 넘어서면 불일치 전위가 형성되어 박막의 응력이 완화된다.[28][31]

기판 위에 박막이 성장한 후 결함 생성 또는 소멸, 상 변화 또는 조성 변화로 인한 밀도 변화는 성장 변형을 발생시킨다. 예를 들어 Stranski–Krastanov 모드에서 과포화 및 계면 에너지 증가로 인해 층이 섬에서 섬으로 이동하면서 기판에 맞게 변형된다.[34] 이러한 변화를 수용하기 위한 탄성 변형은 팽창 변형 e_T 와 다음과 같은 관계가 있다.

:\varepsilon=-e_T/3

성장 변형을 경험하는 박막은 이축 인장 변형 상태에 있으며, 기판 치수와 일치시키기 위해 이축 방향으로 인장 응력을 발생시킨다.[32][35]

7. 1. 3. 에피택셜 응력

에피택셜 박막은 박막과 기판의 일치하는 결정격자 간의 불일치 변형과 표면 삼중 접합의 재구성으로 인한 응력을 경험할 수 있다.[27] 기판과의 열팽창 계수 차이로 인해 고온에서 성장한 박막에서는 열응력이 일반적이다.[28]

두꺼운 기판 위에 에피택시 성장된 박막은 다음과 같이 주어지는 고유한 탄성 변형률을 갖는다.

:\varepsilon\approx{a_s-a_f \over a_f}

여기서 a_sa_f는 각각 기판과 박막의 격자 상수이다. 기판의 상대적인 두께 때문에 기판은 강체라고 가정한다. 따라서 기판에 맞추기 위해 모든 탄성 변형은 박막에서 발생한다.[32] 초기 증착된 원자층은 기판과 일치하는 격자면을 가질 수 있다. 그러나 임계 두께를 넘어서면 불일치 전위가 형성되어 박막의 응력이 완화된다.[28][31]

7. 2. 변형 (Strain)

박막은 부피 변화로 인해 기판에 대해 팽창 변형률 e_T을 경험할 수 있다. 팽창 변형률을 유발하는 부피 변화는 온도 변화, 결함 또는 상 변태에서 비롯될 수 있다. 박막과 기판의 열팽창 계수가 다르면 온도 변화에 따라 부피 변화가 발생한다. 공공(vacancies), 전위결정립계와 같은 결함의 생성 또는 소멸은 치밀화를 통해 부피 변화를 일으킨다. 상 변태와 농도 변화는 격자 왜곡을 통해 부피 변화를 일으킨다.[32][33]

8. 다층 박막 (Multilayer)

물리 과학에서 '''다층(多層) 매질''' 또는 '''층상(層狀) 매질'''은 서로 다른 박막들이 쌓여 있는 구조이다. 일반적으로 다층 매질은 특정 목적을 위해 만들어진다. 층의 두께가 관련 길이 척도에 비해 얇기 때문에, 계면 효과가 벌크 재료보다 훨씬 중요하며, 이로 인해 새로운 물리적 특성이 나타난다.[45]

"다층"이라는 용어는 하나 또는 두 개의 분자 두께인 단일 층을 설명하는 "단층(單層)" 및 "이중층(二重層)"의 확장된 의미가 아니다. 다층 매질은 여러 개의 박막으로 구성된다.

박막 증착에서 주요한 장애물 중 하나는 큰 기판을 고정밀하게 모노나 멀티 레이어를 증착하는 능력이다. 선형타켓 기술과 같이 HiHUS 플라즈마 스퍼터링 기술은 정밀도, 균일성, 수축에서 0 사이의 장력으로 스트레스 제어 같은 요구된 결과로 큰 개선을 보였고, 기판 위의 표면차 측정은 대략 50cm이다. 선형 타겟은 롤투롤이나 인라인 처리에서 HiTUS같은 동등한 이점이 있는 큰 면적 선형처리의 개발도 가능하다.

박막 내 응력의 발생과 완화는 미세전자 응용 분야에서의 질량 수송과 같이 박막의 물성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 이러한 응력을 완화하거나 생성하기 위해 예방 조치가 취해지는데, 예를 들어 기판과 박막 사이에 완충층을 증착할 수 있다.[30] 또한, 강유전체인 지르콘산티탄산납(Lead Zirconate Titanate, PZT)의 도메인 구조와 같이 박막에서 다양한 상 및 도메인 구조를 생성하는 데 변형 공학이 사용된다.[44]

9. 박막의 응용

박막은 광학, 전자공학, 포장현대 미술 등 다양한 분야에서 활용된다. 예를 들어, 반사 방지 코팅이나 자체 세척 유리와 같은 광학 분야, 집적 회로를 형성하는 절연체, 반도체, 도체 층과 같은 전자공학 분야, 알루미늄 코팅 PET 필름과 같은 포장 분야, 래리 벨의 작품과 같은 현대 미술 분야에서 사용된다.[4]

증착 기술은 공정이 주로 화학적인지 물리적인지에 따라 두 가지로 나뉜다. 얇은 막은 그 두께에 따라 수십 μm의 두꺼운 막(厚膜), 수 μm의 얇은 막(薄膜), 수 nm 이하의 초박막(超薄膜)으로 분류할 수 있다. 또한, 얇은 막의 특성에 따라 콜드 미러 코팅, 밴드패스 필터, 반사 방지 코팅 등으로 분류된다.

9. 1. 장식용 코팅

장식용 코팅에 박막을 사용하는 것은 아마도 가장 오래된 응용 분야일 것이다. 여기에는 5000년 전 인도에서 이미 사용되었던 약 100nm 두께의 금박이 포함된다.[1] 이는 어떤 형태의 그림으로도 이해될 수 있지만, 이러한 종류의 작업은 일반적으로 공학이나 과학 분야보다는 예술 공예로 간주된다.[1] 오늘날, 다양한 두께와 높은 굴절률을 가진 이산화티타늄과 같은 박막 재료는 유리의 장식 코팅에 자주 적용되어 물 위의 기름과 같은 무지개색을 나타낸다.[1] 또한, 불투명한 금색 표면은 금 또는 질화티타늄의 스퍼터링으로 제조될 수 있다.[1]

9. 2. 광학 코팅

광학 코팅은 서로 다른 굴절률을 가진 여러 층으로 만들어지며, 유전체 거울 등에 사용된다. 이러한 층들은 반사 및 굴절 시스템 모두에서 사용된다. 대면적(반사) 거울은 19세기 동안 사용 가능해졌으며 유리 위에 금속 은 또는 알루미늄을 스퍼터링하여 생산되었다. 카메라 및 현미경과 같은 광학 기기의 굴절 렌즈는 일반적으로 광학 수차를 나타낸다. 즉, 이상적인 굴절 거동이 아니다. 이전에는 대형 렌즈 세트를 광 경로를 따라 정렬해야 했지만, 오늘날에는 이산화티타늄, 질화규소 또는 산화규소 등의 투명한 다층막으로 광학 렌즈를 코팅하여 이러한 수차를 보정할 수 있다. 박막 기술에 의한 광학 시스템의 발전에 대한 잘 알려진 예는 스마트폰 카메라에 있는 단지 몇 mm 너비의 렌즈이다. 안경이나 태양 전지판의 반사 방지 코팅이 다른 예이다.

얇은막은 두께에 따라 다음과 같이 분류된다.

종류두께
두꺼운 막(厚膜)수십 μm
얇은 막(薄膜)수 μm
초박막(超薄膜)수 nm 이하



또한, 얇은 막이 지닌 특성에 따라 콜드 미러 코팅, 밴드패스 필터, 반사 방지 코팅 등 다양한 종류로 분류된다.

9. 3. 보호 코팅

박막은 종종 기저 부품을 외부 영향으로부터 보호하기 위해 증착된다. 이러한 보호는 외부 매질과의 접촉을 최소화하여 매질에서 부품으로 또는 그 반대로의 확산을 줄이는 방식으로 작동할 수 있다. 예를 들어, 플라스틱 레모네이드 병은 고압 하에 음료에 주입된 탄산이 분해되는 CO2|이산화 탄소영어의 외부 확산을 방지하기 위해 종종 확산 방지층으로 코팅된다. 또 다른 예로는 전기적으로 도전성이 있는 알루미늄 라인을 매립 절연체 SiO2|이산화 규소영어로부터 분리하여 Al2O3|산화 알루미늄영어의 형성을 억제하기 위해 마이크로전자칩에 사용되는 TiN 박막이 있다. 종종 박막은 기계적으로 움직이는 부품 사이의 마모에 대한 보호 역할을 한다. 후자의 응용 분야의 예로는 자동차 엔진에 사용되는 다이아몬드 유사 탄소 층 또는 나노복합재로 만들어진 박막이 있다.

9. 4. 전기적 특성 코팅

구리, 알루미늄, 금, 은과 같은 원소 금속과 합금으로 이루어진 얇은 층은 전기 장치에서 수많은 응용 분야를 가지고 있다. 높은 전기 전도도 때문에 전류나 전압을 전달할 수 있다. 얇은 금속 층은 기존 전기 시스템에서 예를 들어 인쇄 회로 기판의 구리 층, 동축 케이블의 외부 접지 도체 및 센서 등 다양한 형태로 사용된다.[46] 주요 응용 분야 중 하나는 집적 수동 소자 및 집적 회로[47]에서 활용되는 것이다. 트랜지스터 및 커패시터와 같은 능동 및 수동 소자 간의 전기 네트워크는 얇은 알루미늄 또는 구리 층으로 구성된다. 이러한 층은 두께가 수백 나노미터에서 수 마이크로미터에 이르며, 종종 주변 유전체와의 화학 반응을 막기 위해 수 나노미터 두께의 질화티탄 층에 내장된다.



이종 구조의 질화갈륨 및 유사한 반도체는 전자가 나노미터 이하의 층에 결합되어 실질적으로 2차원 전자 기체처럼 작용하게 할 수 있다. 이러한 박막에서의 양자 효과는 고전자 이동도 트랜지스터에 사용되는 벌크 결정에 비해 전자 이동도를 크게 향상시킬 수 있다.

9. 5. 바이오센서 및 플라즈모닉 소자

귀금속 박막은 플라즈모닉 구조, 예를 들어 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서에 사용된다.[49][50][51] 표면 플라즈몬 폴라리톤은 금속-유전체 계면 사이에서 전파되는 광학 영역의 표면파이다. SPR 센서의 크레츠만-라에터(Kretschmann-Raether) 구성에서, 프리즘은 증착을 통해 금속 박막으로 코팅된다. 금속 박막의 접착력이 좋지 않기 때문에, 더 강한 접착력을 위해 게르마늄, 티타늄 또는 크롬 박막을 중간층으로 사용한다. 금속 박막은 플라즈모닉 도파관 설계에도 사용된다.[52][53]

9. 6. 박막 태양 전지

박막 기술은 태양전지의 비용을 줄이는 방법으로 개발되고 있다. 박막 태양전지는 재료비, 에너지 비용, 취급 비용 및 자본 비용이 줄어들어 제조 비용이 저렴하다. 이는 특히 인쇄 전자 기술(롤투롤(roll-to-roll)) 공정의 사용에서 두드러진다.[54] 여전히 연구 초기 단계에 있거나 상업적 이용 가능성이 제한적인 다른 박막 기술은 종종 신흥 기술 또는 제3세대 태양전지로 분류되며, 유기, 염료 감응, 고분자 태양전지뿐만 아니라 양자점, 황화구리 아연 주석, 나노결정 및 페로브스카이트 태양전지를 포함한다.[55][56]

9. 7. 박막 배터리

얇은 막 인쇄 기술을 사용하여 다양한 기판에 고체 리튬 폴리머를 적용, 특수 응용 분야를 위한 독특한 배터리를 만들고 있다. 박막 배터리는 어떤 모양과 크기로든 칩이나 칩 패키지에 직접 증착될 수 있으며, 플라스틱, 얇은 금속박 또는 종이에 인쇄하여 플렉서블 배터리를 만들 수 있다.[57]

9. 8. 박막 벌크 음향 공진기 (TFBAR/FBAR)

압전 결정의 소형화 및 공진 주파수의 보다 정밀한 제어를 위해, 박막 벌크 음향 공진기(TFBARs/FBARs)가 발진기, 통신 필터 및 듀플렉서, 센서 응용 분야를 위해 개발되었다.[1]

10. 박막의 측정 및 평가

박막의 특성을 분석하고 성능을 평가하기 위한 다양한 방법들이 사용된다.

평평한 기판(예: 웨이퍼)에 증착된 박막 내의 응력은 박막에 의한 변형으로 인한 웨이퍼의 곡률을 측정하여 계산할 수 있다. 레이저를 사용하는 광학 장비[36]를 이용하면 증착 전후 전체 웨이퍼의 특성 분석이 가능하다. 레이저는 웨이퍼에서 그리드 패턴으로 반사되며, 그리드의 왜곡을 이용하여 곡률을 계산하고 광학 상수를 측정할 수 있다. 박막의 변형은 X선 회절을 통해 측정하거나, 집속 이온 빔을 사용하여 박막의 일부를 밀링하고 주사 전자 현미경을 통해 이완을 모니터링하여 측정할 수도 있다.[30]

박막의 응력 변화를 결정하는 일반적인 방법은 증착 중 웨이퍼 곡률을 측정하는 것이다. 스토니[37]는 다음 식을 통해 박막의 평균 응력을 곡률과 관련짓는다.

:\kappa=\frac{6\langle \sigma \rangle h_f}{M_sh^2_s}

여기서 M_s = \frac{\Epsilon}{1-\upsilon}이며, \Epsilon은 박막을 구성하는 물질의 벌크 탄성 계수이고, \upsilon은 박막을 구성하는 물질의 포아송 비, h_s는 기판의 두께, h_f는 박막의 두께, \langle \sigma \rangle는 박막의 평균 응력이다. 스토니 공식은 박막과 기판이 웨이퍼의 측면 크기보다 작고 응력이 표면 전체에 걸쳐 균일하다는 것을 전제로 한다.[38] 따라서 주어진 박막의 평균 응력 두께는 주어진 박막 두께에 걸쳐 응력을 적분하여 결정할 수 있다.

:\langle \sigma \rangle = \frac{1}{h_f} \int_{0}^{h_f} \sigma(z) dz

여기서 z는 기판에 수직인 방향이고 \sigma(z)는 박막의 특정 높이에서의 현장 응력을 나타낸다. 응력 두께(또는 단위 폭당 힘)는 \langle \sigma \rangle h_f로 나타내며, \frac{6}{M_s h_s^2}에 의해 곡률과 비례한다. 이 때문에 주어진 박막 두께에서 박막의 곡률을 측정하면 그 두께에서 박막의 응력을 직접 결정할 수 있다. 웨이퍼의 곡률은 박막 내 평균 응력에 의해 결정된다. 그러나 응력이 박막에 균일하게 분포되지 않은 경우(기판과 박막의 격자 불일치로 인해 고유 응력이 발생하도록 완화되지 않은 에피택셜 성장 박막층의 경우), 연속적인 곡률 측정 없이는 특정 박막 높이에서의 응력을 결정할 수 없다. 연속적인 곡률 측정을 수행하면 곡률 데이터의 시간 미분:[39] \frac{d\kappa}{dt} \propto \sigma(h_f) \frac{\partial h_f}{\partial t} + \int_{0}^{h_f} \frac{\partial \sigma(z,t)}{\partial t}dz

은 고유 응력이 어느 지점에서 어떻게 변하는지 보여줄 수 있다. 증착된 박막의 하부 층에 있는 응력은 추가 증착 중에 일정하게 유지된다고 가정하면, 증분 응력 \sigma(h_f)를 다음과 같이 나타낼 수 있다.[39]

:\sigma (h_f) \propto \frac{\frac{\partial \kappa}{\partial t}}{\frac{\partial h_f}{\partial t}} = \frac{d \kappa}{dh}

나노압입(Nanoindentation)은 박막의 기계적 특성을 측정하는 데 널리 사용되는 방법이다. 측정 결과는 코팅된 박막과 코팅되지 않은 박막을 비교하여 표면 처리가 박막의 탄성 및 소성 반응에 미치는 영향을 밝히는 데 사용할 수 있다. 하중-변위 곡선은 박막과 기판 모두에서 균열, 박리 및 소성 변형에 대한 정보를 제공할 수 있다.[40]

올리버-파르(Oliver and Pharr) 방법[41]은 구형 압입자와 같이 축대칭 압입자 기하학을 사용하여 나노압입 결과를 평가하여 경도(hardness)와 탄성 계수(elastic modulus)를 평가하는 데 사용된다. 이 방법은 하중 제거 중에 탄성 변형만 회복된다고 가정한다(역 소성 변형은 무시). 매개변수 P는 하중, h는 변형되지 않은 코팅 표면에 대한 변위, h_f는 하중 제거 후 최종 침투 깊이이다. 이를 사용하여 하중 제거 곡선에 대한 거듭제곱 법칙 관계를 근사할 수 있다.

:P = \alpha (h - h_f)^m

접촉 면적 A를 계산한 후, 경도는 다음과 같이 추정된다.

:H = \frac {P_{max}}{A}

접촉 면적의 관계로부터, 하중 제거 강성은 다음 관계식으로 표현할 수 있다.[42]

:S = \beta \frac{2}{\surd\pi} E_{eff} \surd A

여기서 E_{eff}는 유효 탄성 계수이며, 시편과 압입자의 탄성 변위를 고려한다. 이 관계는 압입 중에 쌓임(pile-up)과 함몰(sink-in)의 영향을 받지 않는 탄성-소성 접촉에도 적용된다.

:\frac{1}{E_{eff}} = \frac{1-\nu^2}{E} + \frac{1-\nu^2}{E_i}

박막의 두께가 얇기 때문에 기판을 실수로 탐침하는 것이 문제가 될 수 있다. 박막을 넘어 기판까지 압입하는 것을 피하기 위해, 침투 깊이는 종종 박막 두께의 10% 미만으로 유지된다.[43] 원뿔형 또는 피라미드형 압입자의 경우, 압입 깊이는 a/t로 비례하며, 여기서 a는 접촉 원의 반지름이고 t는 박막 두께이다. 침투 깊이 h와 박막 두께의 비율은 연성 박막에 대한 스케일 매개변수로 사용할 수 있다.[40]

10. 1. 두께 측정

박막의 두께는 두 가지 방식으로 측정된다. 첫 번째는 물리적 두께로, 단순히 박막의 두께를 의미하며, 전압을 가하면 진동하여 주파수를 발생시키는 수정 진동자(압전 쿼츠 결정체)를 이용한다. 두 번째는 광학적 두께로, 박막의 두께에 박막의 굴절률을 곱하여 얻는 값이다. 실제로는 광학적 두께는 계산이 아닌 광학 모니터를 통해 측정된다.

10. 2. 평가 방법

전자빔을 이용하는 방법(LEED, SEM, TEM 등), 이온을 이용하는 방법(ISS, SIMS 등), X선 회절을 이용하는 방법이나 응력 검사, 나노압입(Nanoindentation)등이 있다.

참조

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