• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2000.02a
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• pp.183-183
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• 2000

Aigrain에 의해 Helicon이라는 이름이 명명된 이후, helicon은 저온의 금속과 같은 높은 전도도(conductivity)를 갖는 매질이나 강한 자기장이 걸려있는 plasma를 전파해 나가는 저주파 전자기장을 지칭해왔다. 이온화된 개스에서 이러한 전자기장은 전자 공명 주파수(electron cyclotron frequency)와 이온 공명 주파수(ion cyclotron frequency) 사이의 주파수로 전파하며 전리층 (ionosphere)을 통과하며 발생하는 가청 주파수 영역대의 음조가 강하하는 현상에 의해 low-frequency whistler라고도 불린다. Helicon wave plasma는 Boswell에 의해 처음 발생된 후, 높은 이온화율(~100%)로 인해 많은 연구가 이루어져 왔다. 1985년에 Chen은 helicon plasma의 높은 이온화율을 설명하기 위해 Landaudamping을 제시하였다. 이러한 설명은 1997년에 Shamrai에 의해 TG mode가 도입되기 전까지 직접적인 실험결과 없이 helicon plasma 발생의 mechanism으로 받아들여졌다. shamrai의 이론에 의하면 정전기파(electrostatic wave)는 plasma의 표면(surface)에서 강하게 감쇄되어 energy를 전달하게 된다. Cho는 radial density 분포가 외각보다 중심이 높을 경우 TG wave의 power 전달이 중심에서 일어날 수 있음을 계산하였다. Helicon plasma의 특성은 높은 이온화율에 의한 높은 밀도($\geq$1012cm3), 1-2 kW의 rf power에서 상대적으로 낮은 전자 온도( 4eV), $\omega$ci $\omega$LH<$\omega$ $\omega$ce $\omega$pe 영역대의 주파수, 자기장 50-1200 Gauss, 압력 1-10 mTorr로 특정지을 수 있다. 이러한 외부분수들의 조건에 k라 helicon plasma는 여러 종류의 mode로 존재한다. Degeling은 이러한 mode의 변화를 capacitive mode, inductive mode, 그리고 helicon mode(wave mode)의 세가지 부분으로 구분하였다. Helicon plasma가 갖는 높은 이온화율은 여러 가지 응용으로의 가능성을 가지고 있다. 그 예로 plasma processing, plasma wave에 의한 입자 가속, 그리고 가스 레이저 활성 매질 발생 등이 있다. 특히 plasma processing의 경우 helicon plasma는 높은 밀도, 비교적 낮은 자기장, remote operation 등이 가능하다는 점에서 현재 연구가 활발히 진행되고 있다. 상업용으로도 PMT와 Lucas Signatone Corp.에 서 helicon source가 제작되었다. 또한 높은 해리율을 이용하여 저유전 물질인 SiOF의 증착에서 적용되고 있다. 이 외에도 다수의 연구결과들이 발표되었다.

• Journal of the Korean Vacuum Society
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• v.19 no.5
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• pp.331-340
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• 2010

3D fluid based numerical modelling is done for a VHF multi hollow cathode array plasma enhanced chemical vapor deposition system. In order to understand the fundamental characteristics of it, Ar plasma is analyzed with a condition of 40 MHz, 100 Vrf and 1 Torr. For hole array of 6 mm diameter and 20 mm inter-hole distance, plasma is well confined within the hole at an electrode gap of 10 mm. The peak plasma density was $5{\times}10^{11}#/cm^3$ at the center of the hole. When the substrate was assumed at ground potential, electron temperature showed a peak at the vicinity of the grounded walls including the substrate and chamber walls. The reaction rate of metastable based two step ionization was 10 times higher than the direct electron impact ionization at this condition. For $H_2$, the spatial localization of discharge is harder to get than Ar due to various pathways of electron impact reactions other than ionization.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.327-327
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• 2012

사파이어는 우수한 광학적, 물리적, 화학적 특성을 가지고 있는 물질 중의 하나이며, 청색 발광특성을 나타내는 GaN와 격자상수, 열팽창 계수가 가장 유사할 뿐만 아니라 가격도 상대적으로 저렴하기 때문에 GaN 성장을 위한 기판으로 사용될 수 있다. 실제로 사파이어는 프로젝터와 전자파 장치, 군사용 장비 등 다양한 분야에 응용되고 있으며, 발광 다이오드(LED)를 위한 기판으로 활용됨으로써 그 수요가 급격히 증가하고 있다. 그러나 사파이어 결정의 성장 중에 생길 수 있는 전위(dislocation)와 적층결함(stacking fault) 등의 결정 결함들은 결정 내에 존재하여 역학적, 전기적 성질에 큰 영향을 미칠 수 있다. 특히 사파이어가 청색 발광소자의 기판으로 사용되는 경우, 사파이어 기판 내부의 결정 결함은 증착되는 박막 특성에 영향을 미치게 된다. 따라서 사파이어의 보다 나은 응용을 위해서는 결정 결함에 대한 평가기술과 결함의 형성 메커니즘 등에 대한 이해가 필요하다. 특히, 결함의 정량적 평가 기술의 개발은 사파이어의 상용화에 중요한 핵심요소 중 하나이다. 결정을 산이나 염기 등을 이용하여 화학적 식각을 하게 되면 분자나 원자 간의 결합이 약한 부분이나 높은 에너지 상태에 있는 부분부터 반응을 하게 되는데, 이러한 반응을 통해 결정의 표면에 형성되는 것을 에치 피트(etch pit)라고 한다. 일반적으로 결정 내에 존재하는 전위는 높은 에너지 상태이므로, 이러한 에치 피트는 전위와 관련되어 있다. 따라서 사파이어 결정과 같은 결정질 물질은 표면의 식각을 통하여 관찰되는 에치 피트 등의 형상이나 반응성 등을 평가하여 결정 특성을 연구할 수 있다. 본 연구는 화학적 식각법으로 사파이어 결정의 특성을 평가하기 위하여 진행하였다. 사파이어 결정의 식각을 위하여 다양한 산-염기 용액들이 사용되었다. 식각 용액의 종류에 따른 사파이어 결정의 식각거동을 연구하고, 표면에 나타나는 형상을 연구하여 사파이어 결정의 구조적 특성을 파악하였다. 특히, 에치 피트 형성거동의 시간 및 온도 의존성에 관한 연구를 진행하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.324-324
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• 2012

투명전도체(Transparent Conducting Oxides: TCOs)는 일반적으로 면저항이 $103{\Omega}/sq$ 이하로 전기가 잘 통하며, 가시광선영역인 380~780 nm에서의 투과율이 80% 이상이고, 3.2eV 이상의 밴드갭을 가지는 재료로써, 전기전도도와 가시광선영역에서 투과성이 높아 전기적, 광학적 재료로 관심을 받아 다년간 연구대상이 되어오고 있다. 현재 가장 널리 사용되고 있는 투명전도체(Transparent Conducting Oxides: TCOs) 소재로는 Indium Tin Oxide (ITO)가 가장 각광받고 있지만, Indium의 가격상승과 박막의 열처리를 통해 저항이 증가하는 단점을 가지고 있어 이를 대체 할 새로운 소재 개발이 필요한 상황이다. 그러므로 투명전도체 소재 개발에 있어서 가장 중요한 연구과제는 Indium Tin Oxide(ITO)의 단점을 개선시키고 안정된 고농도의 In-Zn-Sn-O(ITZO) 박막을 성장시키는 것이다. 본 연구에서는 RF스퍼터링법에 의하여 Si wafer에 In-Zn-Sn-O(IZTO)를 $350{\AA}$ 만큼 증착시키고, 1시간 동안 $300^{\circ}C$, $350^{\circ}C$, $400^{\circ}C$로 각각 열처리 하였다. 박막의 전자적, 광학적 특성은 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy), REELS(Reflection Electron Energy Loss Spectroscopy)를 이용하여 연구하였다. XPS측정결과, ITZO박막은 In-O, Sn-O and Zn-O의 결합을 가지고 있고, 박막의 열처리를 통해 $400^{\circ}C$에서 Zn2p의 피크가 가장 크게 나타나는 반면 In3d와 Sn3d는 열처리를 했을 때가 Room Temperature에서 보다 피크가 작아지는 것을 확인하였다. 이는 $400^{\circ}C$에서 Zn가 표면에 편석됨을 나타낸다. 그리고 REELS를 이용해 Ep=1500 eV에서의 밴드갭을 얻어보면, 밴드갭은 $3.25{\pm}0.05eV$로 온도에 크게 변화하지 않았다. 또한 QUEELS -Simulation에 의한 광학적 특성 분석 결과, 가시광선영역인 380nm~780nm에서의 투과율이 83%이상으로 투명전자소자로의 응용이 가능하다는 것을 보여주었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.411-412
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• 2012

대부분의 상용 LED는 사파이어기판에 성장된 GaN를 기반으로 사용한다. GaN는 $1,000^{\circ}C$ 이상의 높은 온도에서 성장이 이루어지는데 이 경우 GaN과 사파이어 기판과의 높은 열팽창 계수로 인하여 compressive stress를 받게 된다. 이 compressive stress로 인하여 성장된 GaN wafer에 bowing이 일어나게 되고 이는 기판의 대면적화에 커다란 문제로 작용한다. 이런 문제들을 해결하기 위해 여러 방법이 고안되고 있지만 [1,2], 근본적으로 wafer bowing 문제의 해결은 이루어지고 있지 않다. 한편, 일반적으로 박막을 성장할 때 columnar structure를 가지는 박막이 coalescence되면 박막에 tensile stress가 걸린다는 사실이 알려져 있으며 [3], GaN를 저온에서 성장할 경우 columnar structure를 갖는다는 사실이 보고되었다 [4]. 본 연구에서는 이런columnar structure를 갖는 GaN을 이용하여 wafer bowing 문제가 해결된 GaN 박막 성장을 연구하였다. 본 실험에서는, c-plane 사파이어에 유기금속화학증착법(MOCVD)을 이용하여 nano-columnar structure를 갖는 저온 GaN layer을 성장하였다. 그 후 columnar structure를 유지하면서 $1,040^{\circ}C$까지 annealing한 후 고온에서 flat 한 GaN 박막을 nano-columnar structure GaN layer위에 성장 하였다. 우선 저온 GaN layer가 nano-columnar structure를 갖고, 고온에서도 nano-columnar structure가 유지되는 것을 scanning electron microscopy (SEM)과 transmission electron microcopy (TEM)을 통해 확인하였다. 또한 이런 columnar structure 위에 고온에서 성장시킨 flat한 GaN 박막이 성장된 것을 관찰할 수 있었다. 성장된 GaN박막의 wafer bowing 정도를 측정한 결과, columnar structure를 갖고 있는 고온 GaN 박막이 일반적인 GaN에 비해 확연하게 wafer bowing이 감소된 것을 확인할 수 있었다. Columnar structure가 coalescence가 되면서 생기는 tensile stress가 GaN박막의 성장시 발생하는 compressive stress를 compensation하여 wafer bowing이 줄어든 것으로 보인다. 본 발표에서는 이 구조에 대한 구조 및 stress 효과에 대해서 논의할 예정이다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.157-157
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• 2011

박막형태로 제작이 가능한 비정질 실리콘은 결정질 실리콘에 비하여 AM-1 (Air Mass 1:100mW/cm2)조건하에서 10-3 S/cm 정도의 높은 광전기전도도와 가시광선 영역($4000{\sim}7000{\AA}$)에서 약 10배의 높은 광흡수계수를 가지며, $300^{\circ}C$ 이하의 낮은 기판온도에서 다양한 기판위에 대면적으로 제작이 가능할 뿐만 아니라 제작공정이 단순하여 제작비용이 저렴하다는 이점이 있다. 본 실험에서 제작된 모든 박막은 PECVD로 증착하였으며 구조는 p-i-n superstrate형 구조를 사용하였고, 각 박막의 두께는 p-a-Si:H/i-a-SiGe:H/n-a-Si:H ($300{\AA}/2000{\AA}/600{\AA}$)으로 고정하였다. a-Si:H (hydrogenated amorphous silicon) 태양전지의 광 흡수층인 i-layer에서의 germane 가스 유량 변화(0, 20, 40. 60, 80, 100 sccm)에 대한 흡수율의 차이를 UV/Vis/Nir spectrophotometer (ultraviolet/visible/near infrared spectrophotometer)를 통해 확인하고, 그에 따른 a-Si:H 박막 태양전지를 제작하여 solar simulator를 사용하여 AM 1.5 G의 환경 조건에서 태양전지 특성을 평가하였다. 그 결과 germane 가스 유량이 증가함에 따라 파장에 대한 absorptance (a.u.)값이 증가함을 알 수 있었으며, 흡수되는 파장영역의 범위가 장파장으로 확대됨을 확인할 수 있었다. 또한 germane 가스 유량이 60 sccm 일때 a-SiGe:H 박막 태양전지 변환효율이 3.80%로 최대값을 가졌다. 실험에서 germane 가스 유량이 증가할수록 흡수율이 높아져 태양전지특성이 향상될 거라 예상 했지만, 100 sccm보다 60 sccm일 때가 단락전류밀도 값과 변환효율이 높다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 각 layer사이에 계면상의 문제가 있을 거라 예상되며 직렬저항측정을 통해 확인할 수 있다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.98-98
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• 2011

수직으로 정렬된 1차원 나노구조는 입사되는 빛에 대하여 반사율을 줄일 수 있는 유효 굴절률 profile을 갖고 있어, 태양광소자 및 광전자소자의 성능을 향상시키기 위해 널리 응용되어 왔으며, 이러한 수직으로 정렬된 1차원 나노구조를 제작하는 연구가 매우 활발하게 이루어지고 있다. 그 중 화학적 방법으로 성장시킨 산화아연 나노로드(ZnO nanorod)는 비교적 간단하고 저렴한 제작공정을 통해서 높은 결정성을 갖는 수직형 1차원 나노구조체로 이용 할 수 있다. 한편, 효과적인 무반사(antireflection) 층을 제작하기 위해서는 표면에서 발생되는 Fresnel 반사율을 낮춰야 하는데, 이를 위해서 입사되는 매질에서 기판 사이의 유효 굴절률이 연속적이고, 점진적인 변화가 필요하다. 이에 본 연구에서는 무반사 특성향상을 위해서 실리콘 (Si) 기판위에 tapered 산화아연 나노로드를 화학적으로 성장시켜 반사율 특성을 분석하였다. 실험을 위해, 먼저 Si 기판에 AZO (Al doped ZnO) seed 층을 RF magnetron 스퍼터를 사용해 증착한 후, zinc nitrate $Zn(NO_3)_2{\cdot}6H_2O$과 hexamethylentetramines으로 혼합된 용액에 담가두어 산화아연 나노로드를 성장시켰다. Tapered 산화아연 나노로드를 형성하기 위해 용액의 온도를 서서히 낮춤으로 산화아연나노로드의 끝을 뾰족하게 제작할 수 있었다. 한편, 이론적으로 AZO seed 층의 두께에 대한 반사 스펙트럼을 rigorous coupled wave analysis (RCWA) 계산법을 통해서 시뮬레이션을 수행하였으며, 최적화된 AZO seed 층의 두께를 결정하여, 그 위에 tapered 산화아연 나노로드를 성장시켜 반사율을 측정하여 무반사 특성 향상을 확인 할 수 있었다. 또한, 태양광소자 응용을 위해, 표준 AM1.5G 태양광 스펙트럼을 고려한 solar weighted reflection을 계산하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.45-45
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• 2011

알루미늄과 그 합금은 내부식성(corrosion resistance)이 좋고, 밀도가 낮아 높은 연료소비 효율을 필요로 하는 항공기와 자동차 같은 운송수단의 내-외장 소재로 사용되고 있다. 또한 알루미늄의 높은 내부식성을 이용하여 철강소재의 부식을 방지하는 보호막으로도 폭 넓게 사용된다. 물리기상증착(physical vapor deposition)으로 알루미늄을 코팅하면 박막 성장 초기단계에서 핵(nucleus)을 형성하고, 형성된 핵을 중심으로 주상 구조(columnar structure)로 박막이 성장하는 것이 일반적으로 알려진 방식이다. 주상 구조의 알루미늄 박막은 주상정과 주상정 사이에 필연적으로 공극(pore)이 존재하게 되어 부식을 일으키는 물질이 박막으로 침투하게 되고, 부식 물질과 모재가 반응하여 공식(pitting corrosion)이 발생한다. 본 연구에서는 스퍼터링(magnetron sputtering)을 이용하여 치밀한 조직을 갖는 알루미늄 박막을 코팅할 수 있는 공정을 개발하고, 치밀한 알루미늄 조직이 내부식성에 어떠한 영향을 미치는지 평가하였다. 기판은 냉연강판(cold rolled steel sheet)이 사용되었으며, 알루미늄 타겟의 순도는 99.999%, 크기는 직경 4"이었다. 냉연강판은 진공용기(vacuum chamber)에 장착하기 전에 계면활성제를 이용하여 표면에 존재하는 기름성분을 제거하였으며, 진공용기에 장착한 후에는 아르곤 가스를 이용하여 발생시킨 글로우 방전으로 표면에 존재하는 산화물을 제거하였다. 알루미늄 박막의 조직에 영향을 미치는 공정변수를 확인하기 위해서 스퍼터링 파워, 공정 온도, 공정 압력, 외부 자기장 세기 등의 공정 조건을 변화시켜 코팅을 실시하였다. 실험을 통해서 얻어진 최적 조건으로 알루미늄을 코팅할 경우, 알루미늄 bulk의 밀도와 비교하여 약 94.7%의 밀도를 갖는 알루미늄 박막을 코팅할 수 있었다. 알루미늄 박막이 약 3 ${\mu}$m의 두께로 코팅된 냉연강판의 내부식성 평가(salt spray test, 5% NaCl) 결과, 평가를 시작한 후 72시간 후에도 적청이 발생하지 않았다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.426-426
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• 2012

본 연구에서는 GaAs p-i-n 접합 구조에 InAs 양자점을 삽입한 양자점 태양전지(Quantum Dot Solar Cell; QDSC)의 내부 전기장(internal electric field)을 조사하기 위하여 Photoreflectance (PR) 방법을 이용하였다. QDSC 구조는 GaAs p-i-n 구조의 공핍층 내에 8주기의 InAs 양자점 층을 삽입하였으며 각 양자점 층은 40 nm 두께의 i-GaAs로 분리하였다. InAs/GaAs QDSC는 분자선박막 성장장치(molecular beam epitaxy; MBE)를 이용하여 성장하였다. 이 때 양자점의 형성은 InAs 2.0 ML(monolayer)를 기판온도 $470^{\circ}C$에서 증착하였다. QDSC 구조에서 여기광원의 세기에 따른 전기장의 변화를 조사하였다. 아울러 양자점 층 사이의 i-GaAs 층 내에 6.0 nm의 AlGaAs 퍼텐셜 장벽(potential barrier)을 삽입하여 퍼텐셜 장벽 유무에 따른 전기장 변화를 조사하였다. PR 측정에서 여기광원으로는 633 nm의 He-Ne 레이저를 이용하였으며 여기광의 세기는 $2mW/cm^2$에서 $90mW/cm^2$까지 변화를 주어 여기광세기 의존성실험을 수행하였다. 여기광의 세기가 증가할수록 photovoltaic effect에 의한 내부 전기장의 변화를 관측할 수 있었다. PR 결과로부터 p-i-n 구조의 p-i 영역과 i-n 접합 계면의 junction field를 검출하였다. p-i-n의 i-영역에 양자점을 삽입한 경우 PR 신호에서 Franz-Keldysh oscillation (FKO)의 주파수가 p-i-n 구조와 비교하여 변조됨을 관측하였다. 이러한 FKO 주파수성분은 fast Fourier transform (FFT)을 이용하여 검출하였다. FKO의 주파수 성분들은 고전기장하에서 electron-heavyhole (e-hh)과 electron-lighthole (e-lh) 전이에 의해 나타나는 성분으로 확인되었다.

• Korean Journal of Materials Research
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• v.5 no.3
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• pp.357-363
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• 1995

PECVD(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition)법을 이용하여 증착한 $Ta_{2}$O_{5}$ 박막의 전기적 특성과 미세구조에 미치는 RTA(Rapid Thermal annealing) 후속 고온 열처리의 영향을 조사하였다. $Ta_{2}$O_{5}$ 박막의 미세구조와 interface 거동을 관찰하기 위하여XRD(X-ray Diffractometer), TEM(Transmission Electron Microscope), AES(Auger Electron Spectroscope) 분석을 실시하였으며, 전기적 특성을 관찰하기 위하여 I-V, C-V 측정을 하였다. $600^{\circ}C$에서 60초간 열처리를 실시하였을 경우 가장 우수한 유전 특성 및 누설 전류 특성을 보였으며, 유전 상수는 26이었고 누설 전류는 5 $\times$ $10^{-11}$A/$cm^{2}$이었다. $600^{\circ}C$ 이상의 온도에서 행한 열처리에 의하여 박막의 누설 전류와 유전 특성은 복합적으로 영향을 받았음을 알 수 있었다. 이는 $600^{\circ}C$의 열처리에서 이루어지고있는 박막의 결함감소와 고밀화 현상과 함께 80$0^{\circ}C$ 이상의 열처리에서 발생하는 조밀육방정 결정 구조를 가지는 $\delta$-$Ta_{2}$O_{5}$의 결정화에 기인함을 알 수 있었다. 또한 TEM과 AES분석 결과로부터 이들 박막의 누설 전류와 유전상수의 변화는 열처리에 의하여 일어나는 Ta-O-Si transition층의 생성과 성장에 기인함을 알 수 있었다. 따라서 $Ta_{2}$O_{5}$ 박막의 전기적 특성의 변화는 RTA 후속 열처리에 따른 계면 반응과 결정화 그리고 박막의 조밀화에 그 영향이 있음을 알 수 있었다.