[논문 리뷰] Variation of the metallic content of Focused Electron Beam Induced Deposition of Cobalt

Laurent Bernau, Mihai Gabureac외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 10.

Electron and X-Ray Spectroscopy Techniques참고 문헌 18인용 수 43

한 줄 요약

이 연구는 코발트 흡착체를 사용한 평판 초점 전자빔 유도 증착(FEBID)에서 도지 시간 조절을 통해 코발트 함량을 20에서 70 at.%로 정밀하게 조절할 수 있음을 보여준다. 이 변동은 챔버 배경에 존재하는 수소화물의 공침착에서 기인하며, 더 긴 도지 시간 동안 선택적으로 고갈되어 코발트 흡착체의 기여도가 상대적으로 증가함으로써 금속성 조성 제어가 가능해지며, 이는 자기 감지 응용 분야에 유리하다.

ABSTRACT

Cobalt-containing deposits from Cobalt carbonyl are experimentally produced and their composition is measured. The Cobalt concentration is found to be readily tunable between 20 and 70 at.% by variation of the dwell time. The variations in metallic concentration are explained by co-deposition of hydrocarbons present in the chamber background pressure.

연구 동기 및 목표

• dicobalt octacarbonyl을 원료로 사용한 평판 FEBID 증착에서 금속성 코발트 함량의 조절 가능성을 조사하기 위해.
• FEBID 증착물의 조성 변화의 근본 원인을 규명하고, 특히 챔버 배경의 잔류 수소화물의 역할을 규명하기 위해.
• 관측된 도지 시간에 따른 코발트 농도 의존성에 대한 설명이 가능한 이종물질 공침착 모델을 개발하기 위해.
• FEBID 증착물의 자기적 및 전기적 성질을 정밀하게 제어하여, 1미크론 이하의 홀 센서와 같은 응용 분야에 활용 가능하게 하기 위해.
• 저비트 전류 조건에서 조성 변화의 주요 원인이 열적 효과가 아니라 수소화물의 공침착임을 입증하기 위해.

제안 방법

• 25 kV, 1 nA 전자빔을 사용하여 SiO2 코팅 실리콘 기판에 원료 유량 약 4.4 × 10^15 분자/초를 제어하여 FEBID를 수행하였다.
• 총 증착제제를 10 C/cm²로 유지하면서 도지 시간을 500 ns에서 50 µs까지 두 개의 주기 범위로 변화시켰다.
• 픽셀 간 거리는 30 nm로 설정하여 빔 오버랩을 약 2배로 조절하였으며, 이는 효과적인 도지 시간을 두 배로 증가시키는 데 기여하였다.
• 에너지 분산형 X선 분석(EDX)을 3 keV 프로브로 사용하여 조성을 측정하였으며, 정확도는 ±5 at.%로 校정하였다.
• 표면 자리 점령 및 해리 수율을 기반으로 한 동역학 모델을 개발하였으며, 코발트 흡착체와 수소화물 종류(예: 벤젠, PPE)를 모두 포함하였다.
• 모델은 성장률과 조성을 예측하기 위해 R_tot = V₁σ₁ft_d⁻¹∫₀^{t_d} n₁(t)dt + V₂σ₂ft_d⁻¹∫₀^{t_d} n₂(t)dt 식을 사용하며, 해리 수율 Y_i = σ_i t_d⁻¹ ∫₀^{t_d} n_i(t)dt 는 전자당 해리 수율을 나타낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도지 시간이 dicobalt octacarbonyl에서 유도된 평판 FEBID 증착물의 금속성 코발트 함량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 챔버 배경의 잔류 수소화물이 FEBID 증착물의 조성 결정에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 이종물질 공침착 모델이 도지 시간에 따른 코발트 농도 변화를 설명할 수 있는가?
• RQ4 유사 조건에서도 보고된 FEBID의 코발트 농도가 왜 넓은 범위로 퍼져 있는가?
• RQ5 저비트 전류 FEBID에서 열적 효과가 조성 변화에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• Co2(CO)8에서 유도된 평판 FEBID 증착물의 코발트 함량은 도지 시간을 500 ns에서 50 µs 범위로 변화시킴으로써 20에서 70 at.%로 조절 가능하다.
• 짧은 도지 시간(≤1 µs)에서는 수소화물의 공침착이 지배적이며, 이로 인해 코발트 함량이 낮게 유지된다(~20 at.%).
• 긴 도지 시간(>20 µs)에서는 수소화물이 국소적으로 고갈되어 코발트 흡착체의 기여도가 상대적으로 증가하며, 코발트 함량이 약 70 at.%로 상승한다.
• 매우 긴 도지 시간에서는 코발트 흡착체 고갈로 인해 코발트 함량이 약간 감소하는 것으로 모델이 예측되며, 이는 실험 결과와 일치한다.
• EDX 측정 결과 (3 µm)² 증착물 기반으로 Co2(CO)8의 해리 생성물 조성을 Co2C0.61O0.46로 추정하였다.
• 이종물질 공침착 모델은 성장률과 조성을 정확히 예측하며, 수소화물의 공침착이 조성 조절의 주요 요인임을 확인하였다.