[논문]RF 마그네트론 스퍼터링법으로 증착한 ZnO 박막의 증착온도에 따른 구조 및 전기적 특성

오수영; 김응권; 이태용; 강현일; 이종환; 송준태

doi:10.4313/jkem.2007.20.11.965

RF 마그네트론 스퍼터링법으로 증착한 ZnO 박막의 증착온도에 따른 구조 및 전기적 특성
Dependences of Various Substrate Temperature on the Structural and Electrical Properties of ZnO Thin Films deposited by RF Magnetron Sputtering 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.20 no.11, 2007년, pp.965 - 968

오수영 (성균관대학교 정보통신공학부) , 김응권 (성균관대학교 정보통신공학부) , 이태용 (성균관대학교 정보통신공학부) , 강현일 (성균관대학교 정보통신공학부) , 이종환 (성균관대학교 정보통신공학부) , 송준태 (성균관대학교 정보통신공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study we investigated the variation of the substrate temperatures using RF sputtering to identify the effect on the structure and electrical properties by c-axis orientation of ZnO thin film. ZnO thin films were prepared on Al/Si substrate. In our experimental results, ZnO thin film at $300^{\circ}C$ was well grown with (002) peak of ZnO thin film, the thin film showed the high resistivity with the value of $5.9{\times}10^7\;{\Omega}cm$ and the roughness with 27.06 nm. As increased the substrate temperatures, the grain size of ZnO thin films was increased. From these results, we could confirm the suitable substrate temperature of ZnO thin films for FBAR(film bulk acoustic resonator).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 요소들은 일반적으로 증착시의 기판온도나 공급 전력 또는 진공도 와 같은 증착조건들에 의해 결정된다［3］. 따라서 본 실험에서는 ZnO 박막의 전기적 특성을 향상시 키기 위하여 기판온도의 변화에 따라 100 ℃, 200 ■C, 300 ℃, 400 ℃, 500 ℃ 증착하였고 이에 따른 ZnO 박막의 c축 배향성이 박막의 재료 및 전기적 특징에 미치는 영향을 확인하였다.
본 실험에서는 ZnO 박막의 c축 배향성이 재료 및 전기적 특성에 끼치는 영향에 관한 연구 하기 위하여 압전성을 갖는 ZnO 박막을 RF sputter 법 을 이용하여 Al/Si 기판 위에 증착하였고 기판온도 변화에 따른 박막의 미세조직 및 전기적 특성변화를 조사하였다. XRD 분석결과 300 P기판에서 수 직인 ZnO 압전 박막의 (002) 주 피크가 잘 성장되는 것을 보이며 c축 배향성이 증가함을 확인하였 고, 이에 따른 SEM 분석결과 역시 결정립들이 300 ℃에서 가장 조밀하고 균일하였다.

제안 방법

그림 1은 기판 온도에 따른 ZnO 압전 박막의 X 선 회절 분석 측정 결과의 변화를 나타내었다. 1 Aim의 동일 두께를 가지는 ZnO 박막을 기판온도 의 변화에 따라 분석하였다. 측정 결과 기판 온도가 100~300 ℃ 까지 증가함에 따라 344。에서 기 판에 수직인 ZnO 압전 박막의 (002) 주 피크가 잘 성장되는 것을 보이며 c축 배향성이 증가함을 확 인하였다.
ZnO 박막의 c축 배향성이 재료 및 전기적 특성에 분석하기 위해 온도에 따른 ZnO 박막의 구조 적, 전기적 특성을 분석하였다. 증착하기에 앞서 실리콘 웨이퍼 세정을 위해 5분간 아세톤 (Aceton), 메탄올 (Methanol) 순으로 초음파 세척한 후 탈 이온수 (Deionized waterX 이용하여 5분 이상 세척 하였다• 상 • 하부 전극은 탄성 질량 부하 효과가 작은 A1을 열 증발장치를 5.
증착 조건은 가스비 Ar：O2(10：10) 타겟과 기판과의 거리 7 cm를 유지하고 ZnO 박막을 증착하였다. 기판의 온도 상승에 따른 박막의 특성을 분석하였다. 증착 된 ZnO 박막의 결정구조와 미세조직의 분석을 위해 X-ray diffractometer를 이용하여 인가전압 과 전류값이 각각 40 kV, 50 mA이고, 분석 각은 20 -60°, 스캔 스피드는 0.
기판의 온도 상승에 따른 박막의 특성을 분석하였다. 증착 된 ZnO 박막의 결정구조와 미세조직의 분석을 위해 X-ray diffractometer를 이용하여 인가전압 과 전류값이 각각 40 kV, 50 mA이고, 분석 각은 20 -60°, 스캔 스피드는 0.05 °/sec, 스텝 사이즈는 0.1 °로 하여 측정하였으며, 박막표면 과 거칠기 분석을 위해 각각 SEM(Scanning Electron Microscope) 과 AFM (Atomic Force Microscope) e- 사용하였다. 비저항은 (4-point probe)를 이용하여 측정하였다.

대상 데이터

0x10-5 의 고진공에서 A1 벌크소스를 이용하여 Si위에 200 nm의 두께로 증착하였고 ZnO 압전 박막은 RF 마그네트론 스퍼 터 장비를 이용하여 압전 박막을 증착하였다. 증착 조건은 가스비 Ar：O2(10：10) 타겟과 기판과의 거리 7 cm를 유지하고 ZnO 박막을 증착하였다. 기판의 온도 상승에 따른 박막의 특성을 분석하였다.

이론/모형

1 °로 하여 측정하였으며, 박막표면 과 거칠기 분석을 위해 각각 SEM(Scanning Electron Microscope) 과 AFM (Atomic Force Microscope) e- 사용하였다. 비저항은 (4-point probe)를 이용하여 측정하였다.

성능/효과

본 실험에서는 ZnO 박막의 c축 배향성이 재료 및 전기적 특성에 끼치는 영향에 관한 연구 하기 위하여 압전성을 갖는 ZnO 박막을 RF sputter 법 을 이용하여 Al/Si 기판 위에 증착하였고 기판온도 변화에 따른 박막의 미세조직 및 전기적 특성변화를 조사하였다. XRD 분석결과 300 P기판에서 수 직인 ZnO 압전 박막의 (002) 주 피크가 잘 성장되는 것을 보이며 c축 배향성이 증가함을 확인하였 고, 이에 따른 SEM 분석결과 역시 결정립들이 300 ℃에서 가장 조밀하고 균일하였다. 또한 비저 항, 표면 거칠기의 특성 측정 결과에서도 또한 300 笆에서 가장 좋은 결과를 나타내었다.
그러나 ZnO 박막의 경우 기판온도가 500 ℃ 일 때와 300 P 일 때의 ZnO 박막의 그레인 크기가 뚜렷하게 큰 차이를 보였다. ZnO 박막의 경우 일반적으로 결정립 크기가 커지는 경우 c축 배향성 이 향상되어지나[6] 본 실험에서는 이러한 일치성 을 확인할 수 없었으며 이는 XRD의 결과로 볼 때 (002)주 피크의 감소와 더불어 (101), (100)의 ZnO 다결정 성장과 연관이 있는 것으로 판단되며 다결 정 성장으로 인한 결정립들이 c축과 무관하게 성 장한 결과라 볼 수 있다.
이것들은 표면 거칠기를 상승시키는 요인으로 작용할 것으로 판단되어진다. 기판 온도 300 ℃ 에서 표면 거칠기 가 83.9 nm에서 27.06 nm으로 감소하여 매끄러운 표면을 나타냄을 확인하였다. 이는 증착 시 기판온 도가 증가함에 따라 grain boundary의 porosity가 감소하고 더욱 조밀해 지는 경향이 있기 때문이다 [6] .
XRD 분석결과 300 P기판에서 수 직인 ZnO 압전 박막의 (002) 주 피크가 잘 성장되는 것을 보이며 c축 배향성이 증가함을 확인하였 고, 이에 따른 SEM 분석결과 역시 결정립들이 300 ℃에서 가장 조밀하고 균일하였다. 또한 비저 항, 표면 거칠기의 특성 측정 결과에서도 또한 300 笆에서 가장 좋은 결과를 나타내었다.
그림 4는 기판온도 증가에 따른 비저항 값을 나타내었다. 박막의 비저항은 106에서 107 Q •cm의 값을 가지며 기판온도의 증가에 따라 박막의 비저 항 값이 5.9xl07 점차 증가하다가 300 ℃를 기준으로 2.8시V로 다시 감소하는 경향을 나타내었다. XRD 결과에서도 확인할 수 있듯이 기판에 수직한 c축 방향을 갖는 ZnO 박막의 결정화가 향상되어 짐에 따라 박막 내부의 결함이 감소되어 짐에 따른 것으로 판단되어진다.
1 Aim의 동일 두께를 가지는 ZnO 박막을 기판온도 의 변화에 따라 분석하였다. 측정 결과 기판 온도가 100~300 ℃ 까지 증가함에 따라 344。에서 기 판에 수직인 ZnO 압전 박막의 (002) 주 피크가 잘 성장되는 것을 보이며 c축 배향성이 증가함을 확 인하였다. 그러나 기판온도가 400 12에서 발생한 36.

참고문헌 (8)

박용욱, 윤석진, 최지원, 김현재, 정형진, 박창엽, 'RF 마그네트론 반응성 스퍼터링으로 제작된 Zno / Glass 박막 특성', 전기전자재료학회논문지, 11권, 10호, p. 833, 1998

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Z. Yan, Z. Song, W. Liu, and H. Ren, 'Material and device properties of ZnO-based film bulk acoustic resonator for mass sensing applications', Applied Surface Science, Vol. 253, No. 15, p. 9372, 2007

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신영화, 권상직, 김형준, 'FBAR 소자제작을 위한 ZnO 박막 증착 및 특성', 전기전자재료학회논문지, 18권, 2호, p. 159, 2005

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강창석, 김영진, 김형준, 김윤호, 'RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용한 ZnO 박막 증착에 관한연구', 한국결정학회지, 2권, 10호, p. 1, 1995
S. Singh, R. S. Srinivasa, and S. S. Major, 'Effect of substrate temperature on the structure and optical properties of ZnO issue thin films deposited by reactive rf magnetron sputtering', Thin Solid Films, Vol. 24, No. 3, p. 8718, 2007
김봉석, 강영훈, 조유혁, 김응권, 이종주, 김용성, 'FEAR용 ZnO 박막의 열처리 온도변화에 따른 미세조직 및 전기적 특성', 한국세라믹학회지, 43권, 1호, p. 42, 2006

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M. L. Cui, X. M. Wu, L. J. Zhuge, and Y. D. Meng, 'Effects of annealing temperature on the structure and photoluminescence properties of ZnO films', Vacuum, Vol. 81, No. 28, p. 899, 2007

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W. Tang, K. Xu, P. Wang, and X. Li, 'Surface Roughness and Resistivity of Au Film on Si-(111) substrate', Micro-electronic Engineering, p. 445, 2003

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