XRD 측정에서 ω Scan과 ω–2θ Scan의 차이는 무엇을 움직이는지뿐 아니라, 결정의 어떤 정보를 확인하는지에 있습니다. ω Scan은 결정면의 방향이 얼마나 퍼져 있는지 살펴보는 측정입니다. ω–2θ Scan은 격자 간격과 박막 구조에 관한 정보를 얻는 측정입니다. 따라서 결정 방향의 균일성을 비교하려면 ω Scan을, 회절 피크 위치와 박막층의 구조를 분석하려면 ω–2θ Scan을 우선 고려할 수 있습니다.
다만 두 방법을 각각 ‘결정성 측정’과 ‘조성 측정’으로만 외우면 결과를 잘못 해석하기 쉽습니다. 피크 폭에는 광학계와 시료 상태가 함께 반영되고, 피크 위치에는 조성뿐 아니라 격자 변형도 영향을 주기 때문입니다. 여기서는 GaN과 같은 에피택셜 박막을 분석하는 고분해능 X선 회절(HRXRD)을 중심으로, 대칭 반사에서의 차이를 설명하겠습니다.
먼저 ω, θ, 2θ가 의미하는 각도를 구분해야 합니다
일반적인 공면 측정 기하에서 오메가(ω)는 입사 X선과 시료 표면 사이의 각도입니다. 투세타(2θ)는 입사 X선의 진행 방향과 회절 X선의 진행 방향 사이의 산란각입니다. 브래그각(θ)은 회절에 참여하는 결정면과 입사 X선 사이의 각도이며, 브래그 회절 조건에서 산란각의 절반에 해당합니다.
측정하려는 결정면이 시료 표면과 평행한 대칭 반사에서는, 올바르게 정렬된 중심 조건에서 ω와 θ가 같습니다. 그러나 비대칭 반사나 오프컷 기판처럼 결정면과 표면의 방향이 다르면 이 관계를 그대로 적용할 수 없습니다. 장비 화면에서 ω와 θ라는 이름이 보이더라도 두 값을 무조건 같은 각도로 취급하면 안 되는 이유입니다.
두 스캔을 이해할 때는 결정면의 **‘방향’과 ‘간격’**을 구분하면 도움이 됩니다. 간격이 같은 결정 영역들이 조금씩 다른 방향으로 기울어질 수도 있고, 방향은 같지만 조성이나 변형 상태에 따라 간격이 달라질 수도 있습니다. 두 측정은 이러한 차이에 서로 다른 방식으로 민감하게 반응합니다.
ω Scan은 결정면 방향의 분포를 살펴봅니다
ω Scan에서는 먼저 측정하려는 반사의 회절 피크를 찾고, 검출기의 2θ 위치를 해당 피크에 고정합니다. 그 상태에서 ω를 작은 범위로 변화시키면서 회절 강도를 기록합니다. 시료의 방향을 앞뒤로 흔들듯 변화시킨다는 의미에서 **로킹 커브(Rocking Curve)**라고 부릅니다. 실제 구동 방식은 장비 구조에 따라 다를 수 있지만, 측정 좌표상으로는 2θ를 고정하고 ω를 변화시키는 것이 핵심입니다.
결정 내부의 작은 영역들이 완전히 같은 방향으로 정렬되어 있지 않으면, 각 영역이 회절 조건을 만족하는 시료 각도도 조금씩 달라집니다. 따라서 ω를 변화시킬 때 여러 방향의 영역에서 발생하는 신호가 차례로 측정됩니다. 이때 나타나는 피크의 폭은 결정면 방향 분포를 평가하는 단서가 됩니다. 이러한 방향의 퍼짐을 모자이크 분포(Mosaic Spread)라고 표현하기도 합니다.
대표적인 관리 지표는 **반치폭(FWHM, Full Width at Half Maximum)**입니다. 배경을 고려한 피크 높이의 절반 위치에서 측정한 전체 폭을 뜻합니다. 같은 반사, 같은 광학계, 같은 분석 방법으로 비교했다면 좁은 로킹 커브는 해당 측정 방향의 배향 분포가 작다는 판단을 뒷받침합니다. 하지만 이 결과를 곧바로 모든 종류의 결함이 적다거나 소자 성능이 더 좋다는 뜻으로 확대해서는 안 됩니다.
예를 들어 c축 방향으로 성장한 GaN 박막의 (0002) 대칭 반사에서는 c축 기울기 분포와 관련된 정보를 얻을 수 있습니다. 그러나 대칭 반사 하나만으로 면내 회전 분포인 트위스트(Twist)까지 충분히 평가할 수는 없습니다. 다른 반사나 방위각 조건을 추가해야 더 넓은 배향 정보를 확인할 수 있습니다. 또한 웨이퍼 휨, 조사 영역, 입사빔 발산과 검출기 수광 조건도 측정 폭에 영향을 줍니다.
ω–2θ Scan은 격자 간격과 박막 구조를 살펴봅니다
ω–2θ Scan은 ω와 2θ를 연동해 변화시키는 **결합 스캔(Coupled Scan)**입니다. 일반적인 연동 조건은 다음과 같습니다.\[ \Delta(2\theta)=2\Delta\omega \]
예를 들어 ω를 0.01° 변화시키는 동안 2θ는 0.02° 변화합니다. 대칭 반사에서는 입사각과 출사각이 같은 조건을 유지하면서 서로 다른 회절각의 신호를 측정하게 됩니다.
이 측정의 기본 원리는 브래그 법칙입니다.\[ 2d\sin\theta=n\lambda \]
여기서 \(d\)는 측정하는 결정면 사이의 간격, \(\theta\)는 브래그각, \(\lambda\)는 X선 파장, \(n\)은 회절 차수입니다. \(d\)와 \(\lambda\)에는 같은 길이 단위를 사용합니다. 특정 반사를 그 면지수로 표현해 분석할 때는 보통 \(n=1\)로 다룹니다. 파장과 반사를 동일하게 두면 결정면 간격이 커질수록 피크의 2θ가 작아지고, 간격이 작아질수록 2θ는 커집니다.
따라서 같은 반사의 피크가 낮은 각도 쪽으로 이동했다면 해당 결정면 간격이 증가했을 가능성을 살펴볼 수 있습니다. 다만 각도 보정과 시료 정렬이 적절하고, 비교하는 피크가 동일한 반사라는 조건이 필요합니다. 서로 다른 반사를 비교하거나 장비 오차를 포함한 위치 변화를 그대로 해석하면 격자 간격 변화와 무관한 결론을 내릴 수 있습니다.
박막과 기판의 관련 회절 피크가 함께 관찰되는 구조에서는 두 피크의 위치 차이가 격자 간격 차이를 분석하는 자료가 됩니다. 충분한 분해능과 적절한 시료 조건에서는 두께에 따른 간섭무늬나 다층 구조의 위성 피크도 관찰할 수 있습니다. 이런 패턴은 층 두께와 반복 주기, 조성을 구조 모델과 대조하는 데 사용됩니다. 실제 GaN/InGaN 다중양자우물 분석에서도 결합 스캔과 시뮬레이션을 함께 활용합니다.
그러나 피크 위치만으로 조성을 바로 읽을 수 있는 것은 아닙니다. InGaN을 예로 들면 인듐 함량과 탄성 변형이 모두 측정되는 격자 간격에 영향을 줄 수 있습니다. 조성을 정량화하려면 변형 상태에 대한 가정이나 추가 측정이 필요합니다. 또한 단일층의 두께 간섭무늬와 다층 반복 구조의 위성 피크는 구분해서 해석해야 합니다.
ω Scan과 ω–2θ Scan의 차이를 비교하면
두 측정은 같은 회절 피크 주변을 측정하더라도 서로 다른 방향으로 정보를 수집합니다. 이를 역공간에서 보면 더 분명합니다. 역공간은 결정의 주기성과 방향을 좌표로 나타낸 표현이며, 산란벡터는 입사파와 회절파의 진행 방향 차이를 나타내는 벡터입니다. 시료 좌표계를 기준으로 ω Scan은 산란벡터의 크기를 유지한 채 방향을 변화시키고, 이상적인 결합 스캔은 방향을 유지한 채 크기를 변화시킵니다.
이 차이 때문에 두 스캔에서 얻은 FWHM을 같은 의미로 비교할 수 없습니다. ω Scan의 폭은 주로 배향 분포를 살펴보는 데 활용하는 반면, ω–2θ Scan의 폭에는 측정 방향의 유한한 회절 길이, 격자 간격 분포와 장비 분해능 등이 반영됩니다. 실제 시료와 수광 조건에서는 여러 효과가 섞이므로, 어느 쪽도 하나의 원인만 측정한다고 단정해서는 안 됩니다.
| 구분 | ω Scan | ω–2θ Scan |
|---|---|---|
| 각도 변화 | 2θ 고정, ω 변화 | Δ(2θ)=2Δω로 연동 |
| 중심 질문 | 결정면 방향이 얼마나 퍼져 있는가? | 결정면 간격과 층 구조는 어떠한가? |
| 주로 보는 항목 | 로킹 커브 폭, 중심, 모양 | 피크 위치, 간섭무늬, 위성 피크 |
| 활용 | 배향 분포 비교, 정렬, 위치별 균일성 평가 | 격자 간격 분석, 모델 기반 조성·두께 분석 |
| 주요 한계 | 폭 하나로 결함 종류·밀도 확정 불가 | 위치 하나로 조성·변형률 분리 불가 |
GaN 박막 두 장을 비교하는 실무 적용 예시
다음은 실제 측정 데이터가 아닌 설명용 가상 사례입니다. 사파이어 기판 위에 성장한 c면 GaN 박막 A와 B의 성장 조건을 비교한다고 가정하겠습니다. 측정 목적은 두 시료의 c축 방향 분포와 면외 격자 간격이 달라졌는지 확인하는 것입니다. 동일한 Cu Kα₁ 광학계와 수광 조건을 사용하고, 웨이퍼 중심의 같은 크기 영역을 측정합니다.
먼저 시료 높이와 기울기를 정렬한 뒤 (0002) 반사 주변에서 피크를 탐색합니다. 각 시료의 실제 피크 2θ 위치를 확인하고, 그 위치에 검출기를 고정해 ω Scan을 수행합니다. A의 회절각을 B에도 그대로 적용하면 B의 피크 중심에서 벗어난 단면을 측정할 수 있으므로, 각 시료의 피크 위치를 따로 확인하는 절차가 필요합니다.
측정 결과 A의 ω FWHM이 250 arcsec, B가 400 arcsec라고 가정하겠습니다. 1°는 3,600 arcsec이므로 각각 약 0.0694°와 0.1111°입니다. arcsec은 시간을 뜻하는 초가 아니라 각도의 초입니다. 이 결과는 동일 조건에서 B의 로킹 커브가 더 넓다는 사실을 보여주며, 더 큰 기울기 분포나 휨 등의 가능성을 검토하게 합니다. 이것만으로 B의 전위 밀도가 A보다 특정 비율만큼 높다고 계산할 수는 없습니다.
다음으로 두 시료의 ω–2θ Scan을 수행했을 때 (0002) 피크 중심은 측정 불확도 안에서 같다고 가정하겠습니다. 그렇다면 이번 측정에서는 평균적인 면외 격자 간격 차이는 구분되지 않지만, 로킹 커브 폭에는 차이가 있다는 해석이 가능합니다. 따라서 ‘격자 간격이 달라져서 ω 폭이 넓어졌다’고 단순 연결하기보다, 방향 분포와 웨이퍼 형상에 대한 추가 확인을 진행하는 편이 타당합니다.
반대로 ω FWHM은 비슷한데 ω–2θ 피크 위치가 달라졌다면, 배향 분포 차이보다 격자 간격 변화의 원인을 먼저 살펴볼 수 있습니다. 순수 GaN 비교라면 변형과 정렬 오차 등을 검토하고, InGaN이나 AlGaN 합금층이라면 조성과 변형을 함께 고려합니다. 피크가 두 개로 갈라졌거나 비대칭 꼬리가 생겼다면 하나의 FWHM만 기록하지 말고 전체 곡선도 확인해야 합니다.
측정 목적에 따라 선택하고, 필요하면 RSM으로 확장합니다
성장 조건 변경 전후의 배향 상태를 비교하거나 웨이퍼 위치별 로킹 커브 폭을 관리하려면 ω Scan이 유용합니다. 이때 측정 반사, 방위각, 조사 면적, 슬릿, 분석 결정과 피팅 방법을 일관되게 유지해야 합니다. 중심과 가장자리의 폭을 비교할 때도 시료 높이와 국소 기울기를 다시 정렬해야 위치 변화에 따른 오차를 줄일 수 있습니다.
격자 간격 변화나 다층 박막의 주기·두께를 확인하려면 ω–2θ Scan을 우선 고려합니다. 약한 위성 피크나 간섭무늬를 보려면 충분한 각도 분해능과 계수 시간이 필요합니다. 간섭무늬가 보이지 않는다는 사실만으로 계면이 나쁘다고 단정할 수는 없습니다. 두께 분포와 구조 자체뿐 아니라 분해능, 배경, 측정 범위 때문에 관찰되지 않을 수도 있습니다.
조성과 변형률을 구분하거나 격자 이완을 평가해야 한다면 **역공간 매핑(RSM, Reciprocal Space Mapping)**을 추가할 수 있습니다. 특히 적절한 비대칭 반사의 RSM은 면내·면외 방향 정보를 함께 얻는 데 유용합니다. 다만 RSM도 반사 선택과 구조 모델이 필요하며, 맵 한 장이 모든 물성을 자동으로 결정해 주는 것은 아닙니다. rigaku.com
마지막으로 장비 소프트웨어의 측정 이름도 확인해야 합니다. 일부 자료에서는 고분해능 ω–2θ 측정까지 넓은 의미의 로킹 커브라고 부릅니다. 따라서 보고서에 ‘Rocking Curve 측정’이라고만 쓰면 실제 스캔 방식이 모호해질 수 있습니다. ω Scan인지 ω–2θ Scan인지, 측정 반사와 가로축이 무엇인지까지 기록해야 결과를 정확하게 공유할 수 있습니다. resources.rigaku.com
ω Scan은 결정면 방향 분포를, ω–2θ Scan은 격자 간격과 층 구조를 살펴보는 데 각각 강점이 있습니다. 실무에서는 두 측정을 함께 사용해 방향의 변화와 간격의 변화를 구분하고, 해석이 겹치는 부분을 추가 반사나 RSM으로 확인하는 방식이 효과적입니다.