고주파 마그네트론 스퍼터링법으로 Li이 도핑된 ZnO(ZnO:Li) 박막을 코닝 7059 글라스 기판상에 증착하였다. 도핑량은 스퍼터링용 ZnO타겟내의 $Li_2CO_3$의 첨가량을 달리하여 조절하였다. 타겟내의 $Li_2CO_3$의 첨가량에 따른 구조적 특성을 XRD, AFM 및 SEM으로 조사하였으며 기판온도, 고주파출력 및 $O_2/Ar$ 가스비에 따른 Li이 도핑된 ZnO박막의 전기적 특성을 조사하였다. 타겟내의 $Li_2CO_3$의 첨가량과 증착조건이 막의 구조적 및 전기적 특성에 미치는 영향을 조사하였다. $Li_2CO_3$의 첨가량이 1wt%이하인 타겟으로 기판온도 $200^{\circ}C$, $O_2$/Ar 가스비 100%, 고주파 출력 100W에서 스퍼터된 ZnO:Li 박막이 표면거칠기가 낮은 우수한 표면형상, 강한 c-축 우선배향성 및 $10^8{\Omega}cm$ 이상의 큰 비저항을 보였다.
고주파 마그네트론 스퍼터링법으로 Li이 도핑된 ZnO(ZnO:Li) 박막을 코닝 7059 글라스 기판상에 증착하였다. 도핑량은 스퍼터링용 ZnO타겟내의 $Li_2CO_3$의 첨가량을 달리하여 조절하였다. 타겟내의 $Li_2CO_3$의 첨가량에 따른 구조적 특성을 XRD, AFM 및 SEM으로 조사하였으며 기판온도, 고주파출력 및 $O_2/Ar$ 가스비에 따른 Li이 도핑된 ZnO박막의 전기적 특성을 조사하였다. 타겟내의 $Li_2CO_3$의 첨가량과 증착조건이 막의 구조적 및 전기적 특성에 미치는 영향을 조사하였다. $Li_2CO_3$의 첨가량이 1wt%이하인 타겟으로 기판온도 $200^{\circ}C$, $O_2$/Ar 가스비 100%, 고주파 출력 100W에서 스퍼터된 ZnO:Li 박막이 표면거칠기가 낮은 우수한 표면형상, 강한 c-축 우선배향성 및 $10^8{\Omega}cm$ 이상의 큰 비저항을 보였다.
Lithium doped zinc oxide(ZnO:Li) films are prepared by rf magnetron sputtering on Corning 7059 glass substrate using specifically designed ZnO targets containing different amount of $Li_2CO_3$ powder as the Li doping source. The structural properties of the Li doped ZnO films are investig...
Lithium doped zinc oxide(ZnO:Li) films are prepared by rf magnetron sputtering on Corning 7059 glass substrate using specifically designed ZnO targets containing different amount of $Li_2CO_3$ powder as the Li doping source. The structural properties of the Li doped ZnO films are investigated by XRD, SEM and AFM. The electrical properties of the ZnO:Li films are measured for various deposition conditions, such as the substrate temperature, $O_2$/Ar gas ratio and rf power. The effects of the $Li_2CO_3$ content in target and the deposition conditions on the structural and electrical properties were studied. When ZnO:Li films were sputtered at the substrate temperature of $200^{\circ}C$, $O_2$/Ar gas ratio of 100% and rf power of 100W with a target containing less than 1wt% content of $Li_2CO_3$, showed good surface morphology, strong c-axis orientation and high resistivity of more than $10^8{\Omega}cm$.
Lithium doped zinc oxide(ZnO:Li) films are prepared by rf magnetron sputtering on Corning 7059 glass substrate using specifically designed ZnO targets containing different amount of $Li_2CO_3$ powder as the Li doping source. The structural properties of the Li doped ZnO films are investigated by XRD, SEM and AFM. The electrical properties of the ZnO:Li films are measured for various deposition conditions, such as the substrate temperature, $O_2$/Ar gas ratio and rf power. The effects of the $Li_2CO_3$ content in target and the deposition conditions on the structural and electrical properties were studied. When ZnO:Li films were sputtered at the substrate temperature of $200^{\circ}C$, $O_2$/Ar gas ratio of 100% and rf power of 100W with a target containing less than 1wt% content of $Li_2CO_3$, showed good surface morphology, strong c-axis orientation and high resistivity of more than $10^8{\Omega}cm$.
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문제 정의
둘째, in, Al, Pd 및 Ca 등을 가스 반응의 촉매제로 도핑하여 수십 kΩ에서 수백 kΩ 사이의 저항을 갖는 ZnO박막은 NH3, CO, NO 등의 가스 센서에 응용된다[10,11] 마지막으로 높은 비저항과 c-축으로의 큰 우선배향성을 갖는 ZnO 박막은 압전박막으로 UHF/VHF 영역의 신호처리소자나 대역통과필터용 압전 박막으로 응용되고 있다[12,14]. 본 연구에서는 수십 MHz에서 수백 MHz의 중간주파수영역에서의 SAW 필터의 압전박막으로서 요구되는 큰 c-축 우선 배향성과 106Qcm 이상의 높은 비저항을 갖는 ZnO 박막을 얻기 위해 Li이 도핑된 ZnO 박막을 제조하고 기판 온도, OyAr 가스비 및 작업압력 등의 제조조건의 변화에 따른 구조적 및 전기적 특성의 변화를 조사하여 SAW 필터로의 활용가능성을 알아보고자 하였다.
제안 방법
5~5wt% 첨가하여 제작된 타겟을 사용하였다. ZnO 박막을 증착하기 위해 최대 고주파전력이 80BW이며, 텅스텐 할로겐 램프를 사용하여 기판온도를 8001까지 가열할 수 있는 고주파 마그네트론 스퍼터링 시스템을 사용하였다. 표 1은 제조된 타겟과 박막증착 시스템을 사용하여 순수한 ZnO 및 Li이 도핑된 ZnO(이하 ZnOLi으로 표기)박막을 제조하기 위한 증착 조건을 나타낸 것이다.
각각의 증착조건에 따라 제조된 박막의 두께는 알파 스텝으로 측정하였으며, 제조된 박막의 결정성장방향, 결정성을 조사하기 위해 XRD 분석을, 표면거칠기, 결정의 크기, c-축 배향성을 조사하기 위해 AFM 분석 및 SEM 분석을 하였다. 일렉트로미터로 저항을 측정한 후 저항의 기하학적 구조를 이용하여 박막의 비저항을 계산하였다.
고주파 마그네트론 스퍼터링법으로 SAW 필터에 적합한 압전박막을 제조하기 위해 순수한 ZnO 박막 및 Li2CO3의 첨가량이 0.5 wt%, 1 wt%, 2 wt% 및 5 wt% 인 타겟으로 제조된 ZnO:Li 박막을 코닝 7059 글라스 위에 여러가지 증착조건에 따라 제조하고 구조적 및 전기적 특성을 조사하였다.
기판온도는 200℃, Oj/Ar 가스비는 100%, 작업압력은 lOmtorr, 고주파전력은 100W로 하였으며 막 두께는 1㎛정도로 하였다. Li 첨가량에 따른 X-선 회절 피크 강도는 1 wt% 첨가된 경우에는 순수한 ZnO 박막과 비슷하게 나타났으며, 2wt%의 LizCQj가 첨가된 경우에는 회절피크강도는 크게 감소하였으나 반치폭에는 큰 변화가 없었다.
표 1은 제조된 타겟과 박막증착 시스템을 사용하여 순수한 ZnO 및 Li이 도핑된 ZnO(이하 ZnOLi으로 표기)박막을 제조하기 위한 증착 조건을 나타낸 것이다. 기판온도를 실온에서 400'C, 고주파 인가전력을 50 - 300W, Oa/Ar 가스비를 0-100% 로 변화시켜 가며 박막을 제작하였다.
SEM 분석을 하였다. 일렉트로미터로 저항을 측정한 후 저항의 기하학적 구조를 이용하여 박막의 비저항을 계산하였다.
대상 데이터
ZnO 압전박막을 증착하기 위해 코닝 7059 글라스를 기판으로 사용하였다. 기판은 실리콘 표준세척공정으로 세척한 다음, 박막 증착전에 300℃로 미리 가열하여 기판표면의 습기를 제거하였다.
기판은 실리콘 표준세척공정으로 세척한 다음, 박막 증착전에 300℃로 미리 가열하여 기판표면의 습기를 제거하였다. 타겟은 순수한 ZnO 타겟과 Li2CO3를 0.5~5wt% 첨가하여 제작된 타겟을 사용하였다. ZnO 박막을 증착하기 위해 최대 고주파전력이 80BW이며, 텅스텐 할로겐 램프를 사용하여 기판온도를 8001까지 가열할 수 있는 고주파 마그네트론 스퍼터링 시스템을 사용하였다.
성능/효과
증착조건은 기판온도가 200℃, 쟉업압력이 10 mtorr, 고주파 인가전력이 100 W였다. 가스비에 따른 비저항 변화는 Li의 도핑량과 무관하게 순수한 Ar만을 분위기 가스로 주입하였을 경우보다 산소만을 주입했을 때 100배이상 높은 2xl08j2cm 정도의 비저항을 나타내었다. 또한 챔버중의 Oa/Ar 가스비가 40% 이상일 경우에는 비저항의 변화가 거의 없었다.
5 wt%, Iwt% 및 2 wt%인 타겟으로 제조된 ZnO:Li 박막의 비저항 변화를 나타낸 것이다. 고주파 전력이 증가할수록 비저항은 감소하는 것으로 나타났으며, 순수한 ZnO 박막의 경우에는 S) W에서 증착된 박막의 비저항이 300 W에서 증착된 박막보다 10배 정도 높게 나타났다. 타겟내의 LijCOs의 첨가량에 따른 비저항 변화는 고주파 출력에 무관하게 0.
반면에 LizCCfe의 첨가량이 2 wt% 및 5wt%인 타겟으로 제조된 박막의 표면거칠기는 증가하였으며, 특히 5wt%의 경우 ZnO 박막의 (002) 면으로의 성장외에 (110)면으로의 성장도 관찰되었다, 2 wt%의 LizCQ가 첨가된 타겟으로 제조된 ZnO:Li 박막의 비저항은 감소하여 순수한 ZnO 박막과 비슷하게 나타났으나, 5 wt%의 순수한 ZnO 박막보다 10배 정도 감소한 10%2cm로 나타났다. 따라서 소량의 Li 첨가는 비저항의 증가로 인해 표면탄성파 필터용 ZnO 압전 박막의 특성을 향상시킬 수 있으나 다량의 Li을 첨가할 경우 비저항의 감소 및 표면 평탄성을 나쁘게 하여 ZnO 압전박막의 특성을 오히려 감소시킬 것으로 판단된다.
5 wt% 및 1 wt%로 소량 첨가된 타겟으로 제조된 ZnO:Li 박막의 경우 (002)면으로의 우수한 성장성과 순수한 ZnO 박막보다 10배 이상 높은 2XK)8Ωcm 정도의 비저항을 가졌으며, 표면거칠기는 순수한 ZnO 박막과 비슷하였다. 반면에 LizCCfe의 첨가량이 2 wt% 및 5wt%인 타겟으로 제조된 박막의 표면거칠기는 증가하였으며, 특히 5wt%의 경우 ZnO 박막의 (002) 면으로의 성장외에 (110)면으로의 성장도 관찰되었다, 2 wt%의 LizCQ가 첨가된 타겟으로 제조된 ZnO:Li 박막의 비저항은 감소하여 순수한 ZnO 박막과 비슷하게 나타났으나, 5 wt%의 순수한 ZnO 박막보다 10배 정도 감소한 10%2cm로 나타났다. 따라서 소량의 Li 첨가는 비저항의 증가로 인해 표면탄성파 필터용 ZnO 압전 박막의 특성을 향상시킬 수 있으나 다량의 Li을 첨가할 경우 비저항의 감소 및 표면 평탄성을 나쁘게 하여 ZnO 압전박막의 특성을 오히려 감소시킬 것으로 판단된다.
순수한 ZnO 박막 및 Li2CO3의 첨가량이 2wt% 및 5wt% 인 ZnO:Li 박막의 평균거칠기 (average roughness)값은 각각 49A, 58A 및 86A 으로 나타났다. 순수한 ZnO 박막에 비해 Li2CO3의 첨가량이 2wt% 및 5wt%인 경우 표면거칠기가 크게 증가하는데 이는 그림 1과 그림 2에서의 Li의 도핑량이 증가함에 따른 기판에 (002)면으로의 성장(c-축으로의 우선배향성) 이크게 저하되는 XRD의 분석결과와도 잘 일치한다.
이상에서 SAW 필터용 ZnO박막은 (002)면으로의 성장(c-축의 우선배향성)과 비저항을 고려할 때 타겟내의 Li£03의 첨가량은 1 wt%이하, 기판온도는 200t 정도, (WAr가스비는 50%이상, 고주파출력은 100 W 이하로 하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
이상에서 소량의 Li 도핑은 표면거칠기와 (002) 면으로의 성장에 영향을 주지 않으나 다량의 Li의 도핑은 표면 거칠기를 증가시키고 (002)면으로의 성장을 방해하여 표면탄성파 필터의 성능을 저하시킬 것으로 판단된다. SAW 필터가 좋은 전달특성을 갖기 위해서는 압전체가 우수한 구조적 특성과 함께 높은 비저항을 가져야 한다.
이는 일반적인 압전체로 사용되는 압전박막의 비저항이 l06Qcm인 것에 비해 상대적으로 매우 높은 것이다. 하지만 Li2CO3의 첨가량이 2 wt%인 타겟으로 제조된 ZnO:Li 박막은 비저항이 순수한 ZnO 박막과 비슷하였으며, LizCQi의 첨가량이 5 wt%인 타겟으로 제조된 ZnO 박막은 순수한 ZnO 박막의 비저항보다 오히려 10배 정도 감소하여 lOeQcm로 나타났다. 일반적으로 ZnO 박막은 n형 반도성 금속산화물 박막으로 Zn 과잉이나 0 공공이 도너의 역할을 한다.
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