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문제 정의
- 본 연구에서는 산소분압비에 따른 ZnO 박막의 성장 특성 및 성장에 따른 광학적 특성의 변화를 조사하기 위해 RF 스퍼터링 방법으로 ZnO 박막을 제작하였다. 제작된 박막은 위상변조방식의 분광타원계[11,12]를 이용하여 박막의 두께, 표면거칠기 및 광학적 특성을 조사하였고, 그 결과에 대해 논의하였다.
제안 방법
- RF 스퍼터링 시스템으로 ZnO 박막의 제작을 위해 5.0×10-6torr 이하까지 초기 진공상태를 만든 다음 Ar 기체를 30sccm 유속으로 반응실 내로 주입시키면서 기체압이 약 1×10-2torr가 되도록 하였고, 100W의 RF 파워를 공급하여 플라즈마를 발생시켰다.
- 본 연구에서는 산소분압비에 따른 ZnO 박막의 성장 특성 및 성장에 따른 광학적 특성의 변화를 조사하기 위해 RF 스퍼터링 방법으로 ZnO 박막을 제작하였다. 제작된 박막은 위상변조방식의 분광타원계[11,12]를 이용하여 박막의 두께, 표면거칠기 및 광학적 특성을 조사하였고, 그 결과에 대해 논의하였다.
- 본 연구에 사용된 TL 분산관계식은 양자역학적 흡수이론을 바탕으로 소광계수(κ )를 유도하여 Kramers-Kronig 관계를 이용하여 굴절률(n )을 계산하여 전자가 interband transition을 보이는 파장영역에 대한 분산관계를 표현한다.
- 본 연구에서는 Tauc-Lorentz(TL) 분산관계식을 이용하여 1.5~3.8eV에 대응하는 ZnO 박막의 광학상수, 유효두께, void 및 분산관계식의 변수들을 결정하였다. 시료의 기판으로 사용된 유리의 광학상수는 Jobin-Yvon사에서 제공된 값을 사용하였다.
- 시료의 기판으로 사용된 유리의 광학상수는 Jobin-Yvon사에서 제공된 값을 사용하였다. 시료의 분석모형은 표면거칠기층/박막/기판의 구조로 하였다. 분석변수는 두께, ZnO와 공극(void) 비율 그리고 분산관계식의 변수들을 분석변수로 지정하였고, Bruggerman의 EMA 근사식을 이용하여 ZnO 박막의 광학상수를 결정하였다[11,12].
- 시료의 분석모형은 표면거칠기층/박막/기판의 구조로 하였다. 분석변수는 두께, ZnO와 공극(void) 비율 그리고 분산관계식의 변수들을 분석변수로 지정하였고, Bruggerman의 EMA 근사식을 이용하여 ZnO 박막의 광학상수를 결정하였다[11,12]. Fig 1에서 4까지에는 TL 분산관계식에 의해 최적맞춤된 타원상수 스펙트럼을 나타내었다.
- 프로그램에서의 최적맞춤은 이론값과 실험값의 차이를 의미하는 χ2의 값이 최소가 되도록 하였으며, 분석을 위한 박막의 구조는 표면거칠기층/박막/기판으로 설정 하였고, 각층의 두께, 공극 비율, TL 분산변수들을 분석변수로 하여 최적맞춤 하였다.
- 제작된 시료의 두께 및 표면의 결정상태를 알아보기 위해 SEM(Jeol, JSM6335F)을 이용하여 시료의 단면 및 표면을 측정하였다. 측정은 10kV의 복사로부터 80,000배의 배율로 측정하였다.
- 본 연구에서는 산소분압비에 따른 ZnO 박막의 성장특성을 알아보기 위해 RF 스퍼터링 시스템을 이용하여 0%~30%의 산소분압비로 박막을 제작하였다. 위상변조방식의 분광타원계를 이용하여 1.
- 상온에서 Ar 기체 유입량을 동일하게 한 상태에서 0%, 10%, 20%, 30%의 산소 분압비로 1.8㎝×1.8㎝ 크기의 유리기판에 ZnO 박막을 제작하였다.
대상 데이터
- 시료의 제작에 사용된 스퍼터링 장치는 RF 마크네트론 스퍼터링 시스템(태백진공)으로 진공을 형성하고 유지시키는 진공 시스템과 타겟, RF 전원공급장치, 기판홀더, 가스 주입장치, 온도조절장치로 구성되어 있다.
- 제작된 시료의 타원상수 측정에 이용된 타원계(spectroscopic ellipsometer, Jobin-Yvon UVISEL)는 광탄성 변조기(photoelastic modulator)를 이용하여 시료에 입사하는 빛의 편광상태를 50kHz의 주파수로 변조시키는 위상 변조방식이다. 광원으로는 출력이 75W이고 파장 영역이 260~1700nm인 제논 아크등을 사용하였다. 광측정장치로는 초점거리가 460mm이고 1200grooves/mm 격자를 갖는 분광기(Jobin-Yvon, HR 460)를 사용하였다.
- 광원으로는 출력이 75W이고 파장 영역이 260~1700nm인 제논 아크등을 사용하였다. 광측정장치로는 초점거리가 460mm이고 1200grooves/mm 격자를 갖는 분광기(Jobin-Yvon, HR 460)를 사용하였다. 시료의 표면에 대한 입사각은 65°로 하였으며 스펙트럼의 측정범위는 1.
- 8eV에 대응하는 ZnO 박막의 광학상수, 유효두께, void 및 분산관계식의 변수들을 결정하였다. 시료의 기판으로 사용된 유리의 광학상수는 Jobin-Yvon사에서 제공된 값을 사용하였다. 시료의 분석모형은 표면거칠기층/박막/기판의 구조로 하였다.
데이터처리
- 제작된 시료들을 TL 분산관계식을 이용하여 최적맞춤 하였다. 프로그램에서의 최적맞춤은 이론값과 실험값의 차이를 의미하는 χ2의 값이 최소가 되도록 하였으며, 분석을 위한 박막의 구조는 표면거칠기층/박막/기판으로 설정 하였고, 각층의 두께, 공극 비율, TL 분산변수들을 분석변수로 하여 최적맞춤 하였다.
성능/효과
- 산소분압비에 따라 스퍼터된 시료들에 대한 최적맞춤의 결과를 Table 2에 나타내었다. 분석 결과 산소분압비가 0%일 때 ZnO 층의 두께는 74.8nm 가장 컸고, 10%일 때는 59.7nm였으며 산소분압비가 증가할수록 ZnO 층의 두께는 감소하였다. 이러한 두께의 감소는 산소유입량의 증가에 의해 챔버 내에 생성되는 플라즈마의 양이 감소하여 스퍼터율이 낮아져 증착율이 감소한 것으로 생각된다.
- 이러한 두께의 감소는 산소유입량의 증가에 의해 챔버 내에 생성되는 플라즈마의 양이 감소하여 스퍼터율이 낮아져 증착율이 감소한 것으로 생각된다. 표면거칠기층의 분석 결과 산소분압비가 증가함에 따라 표면거칠기층의 두께가 감소됨을 확인하였다. 표면거칠기층의 두께 감소 역시 산소유입량의 증가에 따른 증착율의 감소 때문이다.
- Fig 6과 7은 산소분압비에 따른 각각의 시료들의 굴절률(n ) 스펙트럼과 소광계수(κ ) 스펙트럼의 변화를 보여 주고 있다. 굴절률의 값은 산소분압비가 20%일 때 가장 작았고, 산소분압비가 30%일 때 굴절률의 분산형태가 다른 시료에 비해 크게 달라졌다. 빛의 흡수와 연관된 소광계수는 산소분압비가 증가함에 따라 그 시작점이 높은 에너지(단파장) 쪽으로 이동하였다.
- Fig 9는 RF 파워 100W, 산소분압비 0%로 제작한 시료의 단면을 찍은 SEM 사진이다. 측정 결과 ZnO 층의 두께는 87.0nm로 확인되었고, Table 2의 타원상수 분석에 의한 두께와 비교한 결과 2.8nm의 작은 차이를 보였다. 산소분압비가 증가할수록 ZnO 알갱이의 크기는 감소하였고, 알갱이들의 크기는 일정하지 않았다.
- 8nm의 작은 차이를 보였다. 산소분압비가 증가할수록 ZnO 알갱이의 크기는 감소하였고, 알갱이들의 크기는 일정하지 않았다.
- 본 연구에서는 산소분압비에 따른 ZnO 박막의 성장특성을 알아보기 위해 RF 스퍼터링 시스템을 이용하여 0%~30%의 산소분압비로 박막을 제작하였다. 위상변조방식의 분광타원계를 이용하여 1.5~3.8eV 범위에 걸쳐 타원상수를 측정하였고, Tauc-Lorentz 분산관계식을 이용하여 최적맞춤한 결과 박막과 표면거칠기층의 두께를 알 수 있었고, SEM을 이용하여 산소분압비에 따른 표면 결정상태의 변화를 조사한 결과 ZnO 알갱이의 크기는 일정하지 않았고, 산소분압비의 증가에 따라 그 크기가 작아짐을 알 수 있었다. ZnO 박막의 밴드 갭 (#)은 산소분압비가 0%, 10%, 20%에서는 3.
- 또한 표면거칠기층의 void 비율은 산소분압비가 30%인 시료에서 0.0%로 가장 작게 나타났고, 표면거칠기층의 두께와 공극 비율은 일정한 경향이 없었다.
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