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문제 정의
- 5×10-4 Ωcm이 가장 특성이 우수한 것으로 보 되고 있다 [12,13]. 본 연구에서는 RF 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 낮은 비저항을 가지는 증착조건을 설정하기 위하여, 플라즈마 가스 작동 압력, 기판-타겟간 거리 및 인가 전력을 변화해 가면서 버퍼 층을 이용한 2-STEP박막 제작 등을 통하여 AZO박막의 최적화 증착 조건을 알아보았다.
제안 방법
- 좀 더 최적의 성형 조건을 알기 위하여 작동 압력과 타겟-기판간의 거리를 변화시켜보았고, Fig. 2(a)와 같이 가스분압을 5-6 mTorr 영역에서 세분하여 성장된 AZO의 전기 비저항을 측정하였다. Ar작동 압력 5.
- AZO 박막은 기판과의 거리 40mm로 고정 하였으며, 작동압력은 5.0×10-3 torr에서 RF 인가전력 50~150 W로 변형시키면서 증착하였다.
- 2wt%) 조성의 스퍼터링 타겟을 이용하여 Al이 도핑된 박막을 RF 마그네트론 스퍼터링 방법으로 증착하였다. AZO 박막의 증착 조건중 기판 온도를 고정시키고 각각의 Ar 분압비 및 RF 스퍼터링 출력 그리고 타겟과 기판과의 거리를 변화 시켜 전기적, 광학적 특성을 조사하여 최적의 AZO 박막 증착 조건을 구하였다. RF 파워 120W 그리고 5.
- 낮은 전기저항을 보이는 AZO박막의 성형을 위하여 RF 스퍼터링법에 의한 박막 증착시 크게 영향을 주고 있는 RF인가 전력과 아르곤 가스 분압에 따른 공정 조건을 알아 보았으며, 이 때 AZO 박막의 두께를 200 nm 정도로 고정하였다. Ar스퍼터 용 플라즈마 가스의 압력은 플라즈마가 안정적으로 형성되는 최소 증착 압력인 1mTorr, 그리고 타겟과 기판사이의 거리는 6 cm에 고정시키고, RF인가 전력을 50W에서 140 W 로 변화 시켜보았다. Fig.
- 4는 기판에 도달하는 Ar 이온 에너지 변화에 따른 버퍼층의 잔류 응력 (residual stress)의 변화를 나타낸 그림이다. 기판에 도달하는 Ar 이온의 에너지는 타겟에 인가되는 음 전압에 타겟 표면으로 가속되었다가, 되 튀기는 Ar+ 이온 입자들을 식(1)과 같이 스퍼터링시 Ar 가스의 작동압력 (PAr:Pa), 기판과 타겟간의 거리 (ℓ)와 Meyer등 [16]의 비탄성 충돌에 의한 열화과정 (thermalization process)을 고려하여 예측하였다.
- 낮은 전기저항을 보이는 AZO박막의 성형을 위하여 RF 스퍼터링법에 의한 박막 증착시 크게 영향을 주고 있는 RF인가 전력과 아르곤 가스 분압에 따른 공정 조건을 알아 보았으며, 이 때 AZO 박막의 두께를 200 nm 정도로 고정하였다. Ar스퍼터 용 플라즈마 가스의 압력은 플라즈마가 안정적으로 형성되는 최소 증착 압력인 1mTorr, 그리고 타겟과 기판사이의 거리는 6 cm에 고정시키고, RF인가 전력을 50W에서 140 W 로 변화 시켜보았다.
- 전기 비저항 (ρ) 과 이동도 (m) 는 전류 source meter(Keithely 220) 및 pico-voltmeter (Keithely 485)를 이용하여 Van der Pauw 방법으로 측정하였으며, 전기 비저항은 4-probe tester로 측정하여 비교하였다. 박막의 광학적 조사는 UV-Vis 스펙트로미터 (Lambda-18)을 이용하여 200-800 nm구간에서 광투과도를 측정하였다. 증착된 버퍼층과 AZO박막의 결정 구조는 박막의 결정구조 조사는 X-ray diffraction (M18XHF-SRA, Mac Science, Japan)를 이용하여 RF 전력 인가에 따른 결정 구조와 결정화도를 측정하였다.
- 스퍼터 타겟은 기판의 아래쪽에 위치하는 상향식 증착 방식을 사용하였다. 버퍼층의 최적 조건을 구하기 위해서 기판과의 거리는 40 mm에서 70 mm범위 안에서 변화시켰으며, RF 인가 전력은 30~100 W로 변형시키면서 증착하였다. AZO 박막은 기판과의 거리 40mm로 고정 하였으며, 작동압력은 5.
- 본 연구에서는 ZnO:Al (Al2O3 2wt%) 조성의 스퍼터링 타겟을 이용하여 Al이 도핑된 박막을 RF 마그네트론 스퍼터링 방법으로 증착하였다. AZO 박막의 증착 조건중 기판 온도를 고정시키고 각각의 Ar 분압비 및 RF 스퍼터링 출력 그리고 타겟과 기판과의 거리를 변화 시켜 전기적, 광학적 특성을 조사하여 최적의 AZO 박막 증착 조건을 구하였다.
- 박막의 광학적 조사는 UV-Vis 스펙트로미터 (Lambda-18)을 이용하여 200-800 nm구간에서 광투과도를 측정하였다. 증착된 버퍼층과 AZO박막의 결정 구조는 박막의 결정구조 조사는 X-ray diffraction (M18XHF-SRA, Mac Science, Japan)를 이용하여 RF 전력 인가에 따른 결정 구조와 결정화도를 측정하였다. 또한 표면 구조와 거칠기를 분석하기 위해서 Atomic force microscope (D/Max -3000, Veeco)를 사용하였다.
- 한편 120 W 전력 인가시 작동 압력에 따른 전기 저항의 변화를 알아보기 위하여 Ar가스의 압력을 0.9m Torr에서 5 mTorr까지 변화 시켰다. 0.
대상 데이터
- Al이 도핑된 ZnO 박막은 glass기판 (Corning 1737)위에 RF 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 증착하였다. 타겟으로는 Al2O3이 2wt% 함유된 순도 99.
- 증착된 버퍼층과 AZO박막의 결정 구조는 박막의 결정구조 조사는 X-ray diffraction (M18XHF-SRA, Mac Science, Japan)를 이용하여 RF 전력 인가에 따른 결정 구조와 결정화도를 측정하였다. 또한 표면 구조와 거칠기를 분석하기 위해서 Atomic force microscope (D/Max -3000, Veeco)를 사용하였다.
- 스퍼터용 플라즈마 가스로는 아르곤 (99.999%)만을 사용하였으며, 작동 압력을 0.9~6.0×10-3 torr범위에서 조절하였다.
- Al이 도핑된 ZnO 박막은 glass기판 (Corning 1737)위에 RF 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 증착하였다. 타겟으로는 Al2O3이 2wt% 함유된 순도 99.99%의 Al:ZnO 상용 2인치 세라믹 타겟(Applied Material Co.)을 사용하였다. 기판의 크기는 10×10 mm2의 크기로 절단하여, 증착하기 전에 아세톤-에탄올 용액 순으로 초음파를 이용하여 세척하였고, 증류수로 10분 간 초음파 세척기에 담근 후 질소가스 분위기에서 증착 진공조 내의 기판 홀더에 장착하였다.
- 특정 변수의 값은 단결정 ZnO의 탄성 계수 데이터(C11= 208.8, C33=213.8, C12=119.7, C13=104.2GPa)를 사용하였다 [15]. 일반적으로 박막의 잔류 응력은 대표적으로 박막과 기판과의 사이에서 생기는 격자의 부정합과 기판과 증착물질의 열팽창 계수의 차이에 의한 변화, 두 가지 영향에 의해 일어난다.
이론/모형
- 는 스퍼터링 가스 온도를 말하며 Table 1은 (1)식으로부터 구한 인가 전력, 작동 압력에 따른 이온들의 기판 도달 시 예상 에너지이다. 박막내의 잔류응력은 이축 변형 모델 (biaxial strain model)을 기반으로 계산하였다 [14]. XRD측정에서 보여지는 기판 표면에 대하여 수직으로 성장한 면, 다시 말해서 c축 방향으로의 변형, ε=(Cfilm-Cbulk)/Cbulk이다.
- 전기 비저항 (ρ) 과 이동도 (m) 는 전류 source meter(Keithely 220) 및 pico-voltmeter (Keithely 485)를 이용하여 Van der Pauw 방법으로 측정하였으며, 전기 비저항은 4-probe tester로 측정하여 비교하였다.
성능/효과
- (b)에서 보는 바와 같이 거리가 줄어들수록 전기 비저항이 감소하였고, 플라즈마가 안정적으로 유지되는 최소 거리인 4 cm에서는 5×10-4 Ωcm까지 급격히 감소함을 알 수 있었다.
- 0.9-1.1 mTorr영역에서 저항값이 3 kΩ, 1.6 kΩ,그리고 3 kΩ 까지 많은 변화를 보여주고 있어서 Ar가스의 양에 매우 민감한 것으로 관측되었다.
- 3(b)에서 측정된 XRD 패턴으로부터 ZnO (002) 피크의 면적 비교를 통해 결정화도를 상대적으로 비교하여 보았고, 30W에서 보여주는 XRD (002)피크의 면적이 가장 커서 이를 기준 (100%)으로 하였다. RF 인가 전력이 커짐에 따라 결정화도는 점점 감소하며 50 W에서는 약 45%, 70 W에서는 가장 작은 결정화도(26%)를 보이다가 100 W에서 성장한 버퍼층의 경우 다시 결정화도가 67%까지 증가하는 것을 보여 주고 있다. 이상 에서 보면 인가 전력에 따라, 70 W를 제외하고는 c축 격자 상수의 감소와 결정화도가 거의 비슷한 양상으로 변화해 가고 있음을 알 수 있다.
- RF 파워 120W 그리고 5.5×10-3 torr에서 전기 비저항이 가장 작은 AZO 박막을 얻었으며, 이 중에서 타겟과 기판간의 거리가 40 mm인 AZO 박막의 경우 우수한 전기적 특성을 나타내었다.
- 4로부터 압축응력 정도와 XRD 피크의 면적으로부터 계산된 상대적인 결정화 정도 값의 곱에 어느 정도 비례하는 것으로 보인다. 가장 낮은 비저항을 보이는 50, 60 W 버퍼층의 경우를 살펴보면, 60 W 버퍼층의 경우 상대적으로 낮은 결정화도(31%)를 보이지만 가장 낮은 압축응력(0.4 GPa)을 가지고 있으며, 50 W 버퍼층의 경우 압축응력이 1.13 GPa로 60W에 비하여 2.8배정도 크지만 상대적인 결정화도는 45%로 1.5배정도 우수한 것을 알 수 있다. 한편 70 W 버퍼층의 경우 50 W와 비슷한 1.
- 또한 AZO 박막의 형성 공정 중에 약 20 nm정도의 버퍼층을 우선 증착하는 방식을 통해 제작된 AZO박막의 경우, 비저항이 3.9×10-4 Ωcm로 향상되었다.
- 73Å)의 이온반경 크기 차이로 인하여 박막의 두께가 증가하여도 AZO(002) 주 피크 이외의 다른 부 피크들의 형성이 어려운 것으로 알려지고 있다 [20]. 본 연구의 경우 50 W로 성장된 버퍼층위에 120 W에서 증착된 AZO박막의 경우 다른 조건에서 성장된 버퍼층위에서 성장한 AZO박막에 비하여 Al 도핑되지 않은 경우에서 관측되거나 보고되었던 성장 형태를 보여주고 있는 것이 매우 흥미로운 결과이다.
- 압축응력의 증가는 이온 주입현상로 인해 박막내에서 이온에 의해 주입된 에너지를 가지는 원자들의 변형(strain) 에너지가 주원인이며, 입사 이온의 에너지가 증가되면 박막 내로 입사되는 원자들의 에너지도 증가하고 이러한 원자들은 박막을 구성하는 원자들과 collision cascade을 유도하여 결과적으로 박막내의 압축 응력이 급격히 감소하게 된다. 본 연구의 경우 AZO 버퍼층의 잔류 응력은 입사에너지가 110 eV 일 때 최대값을 보이고, 220 eV 부근에서 최소값까지 감소하나 그 이상의 이온 에너지에서 다시 잔류응력 값이 증가하는 것을 보여주고 있다. 이러한 현상은 버퍼층의 두께를 20 nm 로 한정하였기 때문에, 입사 이온의 에너지가 증가함에 따른 collision cascade 영역이 한정되어 압축 응력이 감소되지 않고 있음을 예상할 수 있어, 이온 입사 에너지에 따른 압축 응력의 변화가 두께에도 민감하게 영향 받고 있음을 알 수 있다.
- RF 인가 전력이 커짐에 따라 결정화도는 점점 감소하며 50 W에서는 약 45%, 70 W에서는 가장 작은 결정화도(26%)를 보이다가 100 W에서 성장한 버퍼층의 경우 다시 결정화도가 67%까지 증가하는 것을 보여 주고 있다. 이상 에서 보면 인가 전력에 따라, 70 W를 제외하고는 c축 격자 상수의 감소와 결정화도가 거의 비슷한 양상으로 변화해 가고 있음을 알 수 있다.
- 한편 3 mTorr에서 20 kΩ 정도로 높은 최대값을 보이다가 5 mTorr에서 0.4 kΩ (8×10-4 Ωcm)까지 급격히 감소함을 알 수 있었다.
- 5배정도 우수한 것을 알 수 있다. 한편 70 W 버퍼층의 경우 50 W와 비슷한 1.06 GPa의 압축응력을 가지고 있으나 상대적인 결정화도가 26% 정도로 50 W의 50%정도 밖에 미치지 않고 있어서 비저항이 10배 정도 증가하는 결과로부터, 버퍼층의 압축응력과 결정화도가 모두 AZO 박막의 비저항에 영향을 미치는 주요한 영향인자이나 그 중 결정도가 더욱 큰 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.
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