ZnO박막을 RF sputtering 법을 이용하여 제작한 후, 기판 온도에 따른 결정성, 표면 형상, c 축 배향성, 박막의 밀도 등을 조사하여 압전 소자로의 적용 가능성을 조사하였다. 본 연구에서는 $Ar/O_2$ 혼합비 70/30, sputtering 파워 125 W, 공정 압력 8 mTorr, 기판 타겟간 거리 70 mm로 공정 변수를 고정시키고, 기판 온도를 상온에서 $400^{\circ}C$까지 변경하면서 ZnO 박막을 증착하였다. 기판온도가 $300^{\circ}C$ 일 때, (002) 피크의 상대 강도비 (I(002)/I(100))가 94%로 가장 크게 나타났으며, 이 때의 반가폭은 $0.571^{\circ}$ 이었다. SEM과 AFM을 통한 표면 형상은 $300^{\circ}C$ 일 때 균일한 입자형태를 띄면서 4.08 nm의 가장 우수한 표면 거칠기를 나타내었다. ZnO 박막의 밀도는 기판 온도가 상온에서부터 $300^{\circ}C$ 까지 상승함에 따라 증가하는 추세를 나타내었으며, 이 후 기판 온도가 $400^{\circ}C$로 증가하면 다시 감소하는 경향을 나타내었다.
ZnO 박막을 RF sputtering 법을 이용하여 제작한 후, 기판 온도에 따른 결정성, 표면 형상, c 축 배향성, 박막의 밀도 등을 조사하여 압전 소자로의 적용 가능성을 조사하였다. 본 연구에서는 $Ar/O_2$ 혼합비 70/30, sputtering 파워 125 W, 공정 압력 8 mTorr, 기판 타겟간 거리 70 mm로 공정 변수를 고정시키고, 기판 온도를 상온에서 $400^{\circ}C$까지 변경하면서 ZnO 박막을 증착하였다. 기판온도가 $300^{\circ}C$ 일 때, (002) 피크의 상대 강도비 (I(002)/I(100))가 94%로 가장 크게 나타났으며, 이 때의 반가폭은 $0.571^{\circ}$ 이었다. SEM과 AFM을 통한 표면 형상은 $300^{\circ}C$ 일 때 균일한 입자형태를 띄면서 4.08 nm의 가장 우수한 표면 거칠기를 나타내었다. ZnO 박막의 밀도는 기판 온도가 상온에서부터 $300^{\circ}C$ 까지 상승함에 따라 증가하는 추세를 나타내었으며, 이 후 기판 온도가 $400^{\circ}C$로 증가하면 다시 감소하는 경향을 나타내었다.
We fabricated ZnO thin film successfully by using RF magnetron sputtering and investigated its potential for being utilized as the key material of piezoelectric device with the characterization of ZnO thin film such as such as crystallinity, surface morphology, c-axis orientation, film density. In t...
We fabricated ZnO thin film successfully by using RF magnetron sputtering and investigated its potential for being utilized as the key material of piezoelectric device with the characterization of ZnO thin film such as such as crystallinity, surface morphology, c-axis orientation, film density. In thin study, $Ar/O_2$ gas ratio is fixed 70/30, RF power 125W, working pressure 8mTorr, distance between substrate and target 70mm, but the substrate temperature is varied from room temperature to $400^{\circ}C$. The relative intensity ($I_{(002)}/I_{(100)}$) or (002) peak in ZnO thin film deposited at $300^{\circ}$ was exhibited as 94%, then its FWHM was $0.571^{\circ}C$. Also, from the surface morphology evaluated by SEM and AFM, the film deposited at $300^{\circ}C$ showed uniform particle shape and excellent surface roughness of 4.08 m. The tendency of ZnO thin film density was exhibited to be denser with increasing substrate temperature but slightly decreased at near $400^{\circ}C$.
We fabricated ZnO thin film successfully by using RF magnetron sputtering and investigated its potential for being utilized as the key material of piezoelectric device with the characterization of ZnO thin film such as such as crystallinity, surface morphology, c-axis orientation, film density. In thin study, $Ar/O_2$ gas ratio is fixed 70/30, RF power 125W, working pressure 8mTorr, distance between substrate and target 70mm, but the substrate temperature is varied from room temperature to $400^{\circ}C$. The relative intensity ($I_{(002)}/I_{(100)}$) or (002) peak in ZnO thin film deposited at $300^{\circ}$ was exhibited as 94%, then its FWHM was $0.571^{\circ}C$. Also, from the surface morphology evaluated by SEM and AFM, the film deposited at $300^{\circ}C$ showed uniform particle shape and excellent surface roughness of 4.08 m. The tendency of ZnO thin film density was exhibited to be denser with increasing substrate temperature but slightly decreased at near $400^{\circ}C$.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 RF 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하여 기판온도 변화에 따른 ZnO 박막을 제작하여, c 축 배향성 및 표면 거칠기와 밀도와 같은 ZnO박막의 특성을 조사하였다.
본 연구에서는 RF 마그네트론스퍼터 링 방법을 이용하여 ZnO 박막 제작시 기판 온도가 ZnO 박막의 결정성, 우선배향성, 표면형상, 밀도 등에 미치는 영향을 조사하였다. 본 실험에서 제작된 ZnO 박막은 Ar/O2 가스비 70/30, 기판 온도 300℃, 인가전력 125 W, 챔버 압력 8 mTorr, 기판 타겟거리 70 mm 에서 (002) 피크의 상대 강도비(I(002)/I(100))가 94% 로 가장 우수한 (002) 배향성을 보였으며, 반가폭(FWHM) 은 0.
제안 방법
기판온도에 따른 ZnO 박막의 구조적 특성을 분석하기 위해 X-ray diffractrometer(PHILIPS PW 3020, Cukα)을 이용하여 θ/20 방법으로 측정하여 결정성 및 우선 배향성을 조사하였다. ZnO의 표면형상과 표면 거칠기를 조사하기 위해 각각 SEM (Hitachi S-4200)과 AFM (Park Science, AP 2000L)을 이용하였다.
RF magnetron 스퍼터링 시스템의 개략도와 증착조건을 각각 그림 1 과 표 1에 나타내었다. 증착 전 챔버 내의 불순물을 최대로 제거하기 위해 챔버의 진공도를 3×10-6 Torr 이하로 유지한 후, MFC (Mass Flow Controller) 를 이용하여 반응성 가스인 Ar/O2 혼합가스를 챔버 내로 주입하였다. 기판 온도는 기판상부에 장착된 할로겐 램프를 사용하여 제어하였다.
기판 온도는 기판상부에 장착된 할로겐 램프를 사용하여 제어하였다. 타겟 표면에 형성된 불순물을 제거하고 플라즈마의 안정을 위해 shutter 를 닫은 상태에서 30분간 pre-sputtering 을 하였으며, 그 후 shutter 를 열어 ZnO 박막을 증착하였다.
대상 데이터
조사하였다. ZnO의 표면형상과 표면 거칠기를 조사하기 위해 각각 SEM (Hitachi S-4200)과 AFM (Park Science, AP 2000L)을 이용하였다.
ZnO 박막을 증착하였다. 실험에 사용된 기판은 실리콘 기판으로 박막성장의 기저면인 기판오염이 ZnO 박막 성장에 영향을 미칠 수 있으므로, 이물질을 제거하기 위해 초음파 세척기를 이용하여 아세톤(15분)/알코올(15분)/증류수(10분)/증류수(15분) 동안 세척하였다. 세척이 완료된 기판은 질소를 이용해 송풍 건조한 후, 80℃ 오븐에서 30분동안 건조하여 사용하였다.
세척이 완료된 기판은 질소를 이용해 송풍 건조한 후, 80℃ 오븐에서 30분동안 건조하여 사용하였다. 타겟은 화확량론적으로 소결된 ZnO (순도 99.999 % 2inch, Cerac) 를 이용하였으며, 조건을 변화시키면서 기초 실험을 한 후 양호한 조건인 Ar/Ch 가스비 70/30, RF 전력 125 W, 스퍼터링 압력 8mTorr, 기판-타겟의 거리 70mm에서 기판 온도를 상온에서 400℃ 까지 변화시켜가며 증착하였다. RF magnetron 스퍼터링 시스템의 개략도와 증착조건을 각각 그림 1 과 표 1에 나타내었다.
이론/모형
02×1023은 아보가드로 수, V 는 ZnO unit cell 의 면적이다. ZnO 박막의 unit cell 의 면적은 XRD 패턴으로 부터 계산한 c 축과 a 축의 길이를 이용하여 계산하였으며, c 축과 a 축의 길이는 Bragg 법칙과 식 (2) 를 이용해 계산하였다.[11]
이러한 c/a 비는 박막이 압전소자로 이용될 때, 큰 변형을 수반하여 우수한 압전 특성을 갖는 것으로 알려져 있다.[10] 따라서 본 연구에서는 기판온도 변화에 따라 제작한 ZnO 박막의 XRD 데이타로부터 Bragg의 법칙을 이용해 격자상수 c 와 a 를 계산하여 c/a 비 를 구해 그림 6 에 나타내었다. 그림 6 에서 보듯이, 기판 온도 300℃ 에서 c/a 비가 1.
본 실험에서는 RF Magnetron 스퍼터링법을 이용하여 ZnO 박막을 증착하였다. 실험에 사용된 기판은 실리콘 기판으로 박막성장의 기저면인 기판오염이 ZnO 박막 성장에 영향을 미칠 수 있으므로, 이물질을 제거하기 위해 초음파 세척기를 이용하여 아세톤(15분)/알코올(15분)/증류수(10분)/증류수(15분) 동안 세척하였다.
성능/효과
또한, ZnO 박막의 미세구조도 기판 온도가 300℃ 일 때 제작된 박막의 SEM 사진을 통해 가장 균일한 입자를 가지고 있는 것을 확인 할 수 있었다. AFM 을 이용하여 표면 거칠기를 관찰한 결과, 기판 온도 300℃ 에서 4.08 nm 로 가장 우수한 표면 거칠기를 갖는 ZnO 박막이 만들어짐을 알 수 있었다. 또, 기판 온도에 따른 ZnO 박막의 밀도는 상온에서 300℃ 로 기판 온도가 상승함에 따라 밀도가 높은 치밀한 박막이 만들어지다가, 400℃ 이상의 온도에서 밀도가 다시 감소하였다.
571° 로 다른 조건에 비해 가장 우수한 c 축 배향성을 갖는 것으로 나타났다. 또한, ZnO 박막의 미세구조도 기판 온도가 300℃ 일 때 제작된 박막의 SEM 사진을 통해 가장 균일한 입자를 가지고 있는 것을 확인 할 수 있었다. AFM 을 이용하여 표면 거칠기를 관찰한 결과, 기판 온도 300℃ 에서 4.
본 실험에서 제작된 ZnO 박막은 Ar/O2 가스비 70/30, 기판 온도 300℃, 인가전력 125 W, 챔버 압력 8 mTorr, 기판 타겟거리 70 mm 에서 (002) 피크의 상대 강도비(I(002)/I(100))가 94% 로 가장 우수한 (002) 배향성을 보였으며, 반가폭(FWHM) 은 0.571° 로 다른 조건에 비해 가장 우수한 c 축 배향성을 갖는 것으로 나타났다. 또한, ZnO 박막의 미세구조도 기판 온도가 300℃ 일 때 제작된 박막의 SEM 사진을 통해 가장 균일한 입자를 가지고 있는 것을 확인 할 수 있었다.
그림 7 에 나타내었다. 온도 증가에 따라 밀도가 높은 치밀한 막이 만들어짐을 알 수 있으며, 기판온도 300℃ 에서 밀도가 가장 높은 막이 만들어졌다. 이러한 결과는 기판 온도 변화에 따른 SEM표면 사진과의 비교를 통해서도 알 수 있다.
이상의 결과로부터, ZnO 박막의 특성은 기판 온도에 많은 영향을 받는 것을 확인할 수 있었으며, 본 연구에서 제작한 ZnO 박막이 압전 소자에 응용될 수 있는 매우 유망한 재료임을 알 수 있었다.
571˚로 가장 우수한 반가폭 (FWHM)을 가짐을 알 수 있었다. 즉 기판온도300℃ 에서 가장 결정성이 좋은 것으로 나타났다.
기판온도에 따라 제작한 ZnO 박막의 (100)과 (002) 피크의 상대 강도비 (I(002)/I(100)) 는 상온에서 약 37%, 기판온도 300℃ 에서 94% 로 약 57% 의 상대강도 차이가 나는 것으로 미루어보아 기판온도에 의해 (002) 배향성이 지배를 받는다고 할 수 있다. 한편, 기판 온도가 증가함에 따라 반가폭(FWHM)이 좁아지는 경향을 나타냈으며, 기판온도 300℃ 에서 0.571˚로 가장 우수한 반가폭 (FWHM)을 가짐을 알 수 있었다. 즉 기판온도300℃ 에서 가장 결정성이 좋은 것으로 나타났다.
참고문헌 (11)
Frans C. M. Van De Pol, 'Thin Fihn ZnO-properties and Applications', Ceramic Bulletin, 69, pp.1559-1965 (1990)
T. Mitsuyu, S. Ono and K. Wasa, 'Deposition of Highly Oriented ZnO Films by Spray Pyrolysis and Their Structural, Optical and Electrical Charaeteriazation', J. Appl. Phys., 44. pp. 1061 (1984)
S.B. Krupanidhi and M. sayer, 'Position and pressure effects in rf magnetron reactive sputter deposition of piezoelectric zinc oxide', J. Appl. Phys., 56, pp. 3308-3317 (1984)
M. Matsuoka and K. Ono, 'Photochromism and anomalous crystallite orientation of ZnO films prepared by a sputtering-type electron cyclotron resonance microwave plasma', Appl. Phys. Lett., 53(15), pp. 1393 (1988)
N. J. lanno, L. McConville, N. Shaikh, S. Pittal and P. H. Aynder, 'Characterization of pulsed laser deposited zinc oxide', Thin Solid Films, 220, pp. 92 (1992)
K. Ohji, O. Yamazaki, K. Wasa, and S. Hayakawa, 'New sputtering system for manuacturing Zno thin film SAW devices', J. Vac. Sci. Technol., 15(4), pp 1601-1604 (1978)
H. S. Nalwa, Handbook of Thin Film Materials: Ferroelectric and Dielectric Thin Films, vol. 3, Academic Press. pp291-298 (2002)
Su-Shia Lin et al., 'The effects of r.f power and substrate temperature on the properties of Zno films', Surface and Technology, 176, pp. 173-181 (2004)
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