초해상 광기록 Ge2Sb2Te5박막의 고온광물성 연구

Abstract

마그네트론 스퍼터링 방법을 사용하여 광기록 매체인 GST 박막과 보호층인 <TEX>$ZnS-SiO_2$</TEX> 박막 또는 <TEX>$Al_2O_3$</TEX> 박막을 c-Si 기판위에 증착한 뒤 in-situ 타원계를 사용하여 상변화 광기록층인 GST 시료의 타원상수 온도의존성을 실시간으로 측정한 결과 <TEX>$300^{\circ}C$</TEX> 이상의 온도에서 GST의 고온 타원상수는 가열 환경 및 보호층의 종류에 따라 큰 차이를 보여주었다. 가열 환경 및 보호층의 종류에 따라 GST의 고온 타원상수가 달라지는 원인인 <TEX>$1{\sim}2$</TEX>시간의 긴 승온시간을 줄이기 위해 Phase-change Random Access Memory(PRAM) 기록기를 사용하였고 수십 ns 이내의 짧은 시간 내에 순간적으로 GST 시료를 가열 및 냉각하였다. GST층이 손상되지 않고 결정화 및 고온 열처리가 되는 PRAM 기록기의 기록모드와 레이저출력 최적조건을 찾았으며 다층박막 구조에서 조사되는 레이저 에너지가 광기록층인 GST에 흡수되는 양과 이웃하는 층으로 전파되는 양을 열확산방정식으로 나타내고 이를 수치해석적으로 풀어 레이저출력과 GST 박막의 최고 온도와의 관계를 구하였다. 지름이 1um 정도인 레이저스폿을 대략 <TEX>$0.7{\times}1.0mm^2$</TEX>의 면적내에 촘촘히 기록한 다음 고온 열처리된 GST 시료의 분광타원데이터를 500 um의 빔 크기를 가지는 마이크로스폿 분광타원계를 사용하여 구하고 그 복소굴절률을 결정하였다. In-site 타원계를 사용할 때에 가열 환경 보호층 물질의 영향을 크게 받은 GST의 고온 복소굴절률은 PRAM 기록기를 사용하였을 때에는 가열환경이나 보호층의 종류에 무관하게 안정된 값을 보여주었다 Atomic Force Microscope(AFM)과 Scanning Electron Microscopy(SEM)을 통해 관찰한 GST 다층박막시료의 고온 열처리 전후 표면미시거칠기 변화도 PRAM 기록기를 사용할 때에는 in-situ 타원계를 사용할 때보다 1/10 정도의 크기를 보여주어 PRAM 기록기와 분광타원계를 사용하여 결정한 GST의 고온광학물성의 신뢰성을 확인하여 주었다. The samples composed of a GST thin film and the protective layers of <TEX>$ZnS-SiO_2$</TEX> or <TEX>$Al_2O_3$</TEX> coated on c-Si substrate were prepared by using the magnetron sputtering method. Samples of three different structures were prepared, that is, i) the GST single film on c-Si substrate, ii) the GST film sandwiched by the protective <TEX>$ZnS-SiO_2$</TEX> layers on c-Si substrate, and iii) the GST film sandwiched by <TEX>$Al_2O_3$</TEX> protective layers on c-Si substrate. The ellipsometric constants in the temperature range from room temperature to <TEX>$700^{\circ}C$</TEX> were obtained by using the in-situ ellipsometer equipped with a conventional heating chamber. The measured ellipsometric constants show strong variations versus temperature. The variation of ellipsometric constants at the temperature region higher than <TEX>$300^{\circ}C$</TEX> shows different behaviors as the ambient medium is changed from in air to in vacuum or the protective layers are changed from <TEX>$ZnS-SiO_2$</TEX> to <TEX>$Al_2O_3$</TEX>. Since the long heating time of 1-2 hours is believed to be the origin of the high temperature variation of ellipsometric constants upon the heating environment and the protective layers, a PRAM (Phase-Change Random Access Memory) recorder is introduced to reduce the heating time drastically. By using the PRAM recorder, the GST samples are heated up to <TEX>$700^{\circ}C$</TEX> decomposed preventing its partial evaporation or chemical reactions with adjacent protective layers. The surface image obtained by SEM and the surface micro-roughness verified by AFM also confirmed that samples prepared by the PRAM recorder have smoother surface than the samples prepared by using the conventional heater.