이온빔에 의한 스퍼터링에서 입사 이온과 시료 구성 원자간의 화학 반응은 표면 미세구조의 성장을 야기시킨다. 본 연구에서는 산소 이온빔으로 스퍼터링할 때 형성되는 몇 가지 형태의 표면 미세구조에 대한 성장 메커니즘을 고찰하였으며 이 결과를 박막 증착시 형성되는 미세구조와 비교하였다. 두 경우에 있어서 미세구조의 성장은 표면 및 계면의 화학적 불균질성에 의해 크게 영향을 받음이 확인되었다.
실리콘 기판 위에 성장된 Ta 박막을 7 keV의 산소 이온빔으로 스퍼터링하면 가운데가 푹 들어가고 주위가 불룩하게 솟아 있는 분화구 형태의 미세구조가 형성된다. 이러한 구조는 전례를 찾아 볼 수 없는 매우 희귀한 형태이며 스퍼터 깊이에 따른 미세구조의 성장을 전자현미경으로 살펴본 결과 이러한 미세구조가 계면 근처에 이르러 급작스럽게 형성됨이 확인되었다. 이 현상을 설명하기 위해 수포형성 메커니즘 (Blistering Mechanism)이 제안되었다. 산소 이온을 박막 표면에 입사시키면 Ta 박막과의 상호작용에 의해 표면이 산화되는데 이 경우 부피가 증가하여야 하나 그렇지 않으므로 표면에 압축력이 형성한다. 이러한 상태가 계면까지 도달되면 박막의 두께는 현저하게 얇아지고 계면의 접착력이 약하므로 압축력이 일시에 해소되면서 부분적으로 부풀어 오른다. 이렇게 형성된 수포의 가운데 부분이 계속된 이온빔 충돌에 의해 약해지면서 뚫리고 계속되는 스퍼터링에 의해 분화구 형태의 미세구조로 발전한다.
Ni 박막을 7 keV의 산소 이온으로 스퍼터링하면 표면이 완전히 산화되지 않는 입사각에서 두 종류의 면을 가진 패셋(Facet)이 형성된다. 한 면은 입사이온빔을 향한 면으로 이온빔과 거의 수직을 이루며 다른 한 면은 이온빔과 약 80˚의 각도를 이루는데 이는 Ni의 스퍼터링 속도가 80˚일 때 가장 빠르고 0˚일 때 가장 느리다는 사실과 매우 밀접한 관계가 있다. 이러한 미세구조의 형성 원인은 불완전 산화에 따른 표면의 불균질성으로 만일 표면에 불완전 산화에 의해 금속과 산화물이 공존하면 두 물질 사이의 스퍼터링 속도 차이에 의해 미세구조의 형성이 야기된다. 이 과정에서 스퍼터링 속도가 느린 산화물이 서로 합착(coalescence)되어 작은 산화물 덩어리(cluster)를 형성하고 그들의 이동 및 합착에 의해 미세구조 성장의 핵이 생성되며 이 핵은 주위의 작은 산화물을 계속 합착하여 점점 커지며 산화물섬(island)을 이룬다. 패셋의 형성은 입사 이온에 의한 에너지 전달에 기인하는 표면 확산의 방향성에 기인한다. 비록 입사 이온빔은 물질 내부에서 연쇄 충돌에 의해 그 원래의 방향성을 상실하지만 표면 근처에서 충돌하는 것들은 그 방향성을 유지하며 결과적으로 산화물섬 표면의 물질은 이온빔과 같은 방향으로 이동하여 결국 표면의 한 면은 입사이온빔에 수직하게 되고 다른 한 면은 거의 수평이 되는 패셋의 형태가 된다. 패셋이 형성된 후의 스펴터링은 이온빔에 거의 수평한 면(약 80˚)에서 지배적으로 일어나는데 이는 산소 이온빔에 거의 수평한 면(산화되지 않음)의 스퍼터링 속도가 수직한 면(완전히 산화됨)에 비해 약 15배 가량 빠르기 때문이다.
박막 증착시 미세구조의 형성은 기판 온도에 크게 영향을 받는다. Fe, $Fe_3O_4$, $Fe_2O_3$ 박막을 실온에서 성장시킬 때는 모든 박막에서 미세구조가 성장하지 않으나 기판 온도를 올리면 미세구조의 성장이 촉진되는데 그 양상은 세 박막에서 현저히 다르다. 완전히 산화된 $Fe_2O_3$ 박막의 경우에는 기판 온도에 상관없이 아무런 미세구조가 성장하지 않으며 순수한 Fe 박막의 경우에는 고온에서 미세구조가 성장하기는 하지만 그리 심하지는 않다. 그러나 불완전 산화물인 $Fe_3O_4$ 박막을 고온에서 성장시키면 매우 큰 결정성 입자형의 미세구조가 성장되는데 이는 화학적 상태가 서로 다른 여러 가지의 화합물이 박막 표면에 공존하기 때문이다. 실제로 $Fe_3O_4$는 FeO와 $Fe_2O_3$의 혼합상이고 또한 x-선 회절 실험에 의하면 금속성 Fe의 결정상까지도 형성되어 있음이 발견된다. 서로 다른 상간의 안정성 차이와 같은 상끼리의 선택적인 합체가 결정성 입자의 형성을 촉진하는 요인으로 추정된다. Fe 박막을 산소 이온빔으로 스퍼터링하면 섬 형태의 미세 구조가 형성되는데 이 역시 표면의 불균일성에 의한 산화물의 형성과 표면 확산에 기인된다.
