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문제 정의
- 본 논문에서는 분말형 ZnO target을 이용하여 glass 기판 위에 증착한 ZnO 박막의 구조적, 광학적 특성을 보고하고자 한다. 상온에서 ZnO 박막을 증착하였음에도 불구하고, (0002) 우선성장방향을 갖는 결정질 박막으로 성장하였다.
- 본 연구에서는 전통적인 ZnO ceramic target 대신 사용한 ZnO 분말 target의 RF magnetron sputtering 증착법에 대하여 보고하였다. Glass 기판위에 증착한 ZnO 박막의 구조적, 광학적 특성을 분석하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 전통적인 ZnO ceramic target 대신 사용한 ZnO 분말 target의 RF magnetron sputtering 증착법에 대하여 보고하였다. Glass 기판위에 증착한 ZnO 박막의 구조적, 광학적 특성을 분석하였다. 증착한 ZnO 박막은 가시광 영역에서 매우 우수한 광투과도를 나타내었으며, 표면 거칠기 또한 양호하였다.
- 증착된 시편은 표면 형상 및 표면 거칠기 등 표면의 구조적 특성을 분석하기 위하여 Atomic Force Microscopy (AFM) 및 Scanning Electron Microscopy (SEM) 측정을 수행하였다. SEM 측정에서는 기본적으로 표면 형상(top-view)을 촬영하였고, 200 nm이상의 두꺼운 박막의 두께를 측정하기 위하여 단면(cross-section view)을 촬영하였다. 또한 결정학적 방위관계 및 결정질 ZnO 박막의 결정립 크기를 분석하기 위하여 x-선 회절(XRD) 실험을 수행하였다.
- 24Å)의 에너지를 갖는 단색광 x-선을 선택하였다. XRR은 임계입사각 근처로부터 약 5도의 입사각까지 측정하였다. 마지막으로 ZnO 박막의 광투과도를 분석하기 위해 UV-VIS 투과 분광 실험(Carry500scan, Varian)을 수행하였다.
- 피크강도의 세기는 ZnO 결정의 양에 비례하고, FWHM(full width at the half maximum)은 ZnO 결정립의 크기에 반비례한다. ZnO(0002) Bragg 피크의 회절패턴을 간단한 Gaussian 형태의 모양으로 모델링하여 FWHM을 구하였다. Scherrer's 방정식 [23]을 적용하여 획득한 결정립의 크기를 Fig.
- SEM 측정에서는 기본적으로 표면 형상(top-view)을 촬영하였고, 200 nm이상의 두꺼운 박막의 두께를 측정하기 위하여 단면(cross-section view)을 촬영하였다. 또한 결정학적 방위관계 및 결정질 ZnO 박막의 결정립 크기를 분석하기 위하여 x-선 회절(XRD) 실험을 수행하였다. 이때 CuKα(파장=1.
- XRR은 임계입사각 근처로부터 약 5도의 입사각까지 측정하였다. 마지막으로 ZnO 박막의 광투과도를 분석하기 위해 UV-VIS 투과 분광 실험(Carry500scan, Varian)을 수행하였다. 이때 광원의 파장 대역은 300-1000 nm이다.
- 시편과 target 사이의 거리는 40 mm로 고정하였다. 박막의 두께 변화에 따른 광학적, 구조적 특성을 분석하기 위하여 증착 시간을 달리하여 다수의 시편을 제작하였다. 이때 박막의 두께는 54, 84, 118, 220 nm이다.
- 541 Å) x-선 발생 장치를 사용하였다. 박막의 두께 측정 및 표면 분석을 위하여 고분해능 x-선 반사율(x-ray reflectivity, XRR) 곡선을 포항방사광가속기의 5C2 광주과학기술원 전용 빔라인에서 측정하였다. 방사광 x-선은 연속파장 분포를 가지는 x-선이 발생되므로 두개의 Si(111) 단결정을 갖춘 monochromator를 이용하여 10 keV(파장=1.
- 방사광 x-선은 연속파장 분포를 가지는 x-선이 발생되므로 두개의 Si(111) 단결정을 갖춘 monochromator를 이용하여 10 keV(파장=1.24Å)의 에너지를 갖는 단색광 x-선을 선택하였다.
- 박막의 두께가 증가함에 따라 진동은 사라지고, 반사율은 급격히 감소하는 경향을 보이는데 이는 표면 거칠기가 크게 증가했음을 의미한다. 본 연구에서 사용된 시편 중 220 nm 두께의 시편은 XRR에서 진동이 완전히 사라졌기 때문에, cross- section SEM 분석을 통하여 두께를 측정하였다.
- 증착된 시편은 표면 형상 및 표면 거칠기 등 표면의 구조적 특성을 분석하기 위하여 Atomic Force Microscopy (AFM) 및 Scanning Electron Microscopy (SEM) 측정을 수행하였다. SEM 측정에서는 기본적으로 표면 형상(top-view)을 촬영하였고, 200 nm이상의 두꺼운 박막의 두께를 측정하기 위하여 단면(cross-section view)을 촬영하였다.
- ZnO 박막은 능동형 LCD 제조에 쓰이는 glass 기판(Corning EAGLE2000)을 사용하였다. 증착온도는 상온이며, 반응기체로는 Ar과 O2를 혼합하였는데, 가스미량조절장치를 이용하여 유량은 각각 20 sccm 및 10 sccm으로 조절하였다. 증착 도중의 압력은 6×10-3 torr로 유지하였다.
대상 데이터
- 그 중에서도 주목할 만한 성과가 최근에 발표되었는데, 바로 ZnO 분말을 sputtering하는 방법이다 [19,20]. Fig. 1에 나타낸 바와 같이 본 연구에 사용된 ZnO sputter target은 소결과정 등 전처리과정을 거치지 않고, 상용화된 ZnO 분말을 구리로 제조한 원형 틀에 담아 사용하였다. Fig.
- 1에서 보인 구리 원형틀의 크기는 지름 50 mm이다. ZnO 박막은 능동형 LCD 제조에 쓰이는 glass 기판(Corning EAGLE2000)을 사용하였다. 증착온도는 상온이며, 반응기체로는 Ar과 O2를 혼합하였는데, 가스미량조절장치를 이용하여 유량은 각각 20 sccm 및 10 sccm으로 조절하였다.
- 분말형 ZnO sputter target을 제조하기 위하여 상용화된 ZnO분말(일본의 고순도화학사, 순도 99.999%)을 사용하였다. 분말의 크기는 ＜1 μm이다.
성능/효과
- ) Growth strain은 국부적으로 존재하고, 보통 다결정 박막에서 흔히 관찰된다. 또한 RF sputtering에서는 증착속도와 관계가 있으며, 본 연구에서는 상대적으로 높은 입력 RF power로 기인하여 bulk 격자상수보다 훨씬 더 큰 값으로 수렴한다. 사실 입력 RF power가 작은 시편(증착속도가 4 nm/min)에서는 bulk 격자상수에 근접하였다.
- 상온에서 ZnO 박막을 증착하였음에도 불구하고, (0002) 우선성장방향을 갖는 결정질 박막으로 성장하였다. 박막의 표면은 매우 균일하였으며, 두께가 증가함에 따라 표면 거칠기가 증가하였다. 아울러 흡수분광도 측정 결과 확연한 Near Bandedge Emission(NBE) 흡수단을 확인하였으며 400-1000 nm 영역의 광원에 대하여 평균적으로 88% 이상의 높은 광투과도를 나타내었다.
- 통상 ZnO epitaxial 박막은 sapphire(0001) 기판에 상대적으로 고온(＞300℃)에서 증착하는데, 이 경우에는 표면에 수직방향으로 평균 결정립 크기가 두께와 거의 일치하는 경향을 나타낸다 [24]. 본 연구에서 고찰한 ZnO/glass 박막은 수직방향으로 많은 결정 결함을 가지고 있음을 암시한다.
- 박막의 표면은 매우 균일하였으며, 두께가 증가함에 따라 표면 거칠기가 증가하였다. 아울러 흡수분광도 측정 결과 확연한 Near Bandedge Emission(NBE) 흡수단을 확인하였으며 400-1000 nm 영역의 광원에 대하여 평균적으로 88% 이상의 높은 광투과도를 나타내었다.
- Glass 기판위에 증착한 ZnO 박막의 구조적, 광학적 특성을 분석하였다. 증착한 ZnO 박막은 가시광 영역에서 매우 우수한 광투과도를 나타내었으며, 표면 거칠기 또한 양호하였다. 본 논문에서 획득한 ZnO 박막의 물성은 소결된 ZnO target을 사용하였을 경우와 견줄만하다 [4,26,27].
후속연구
- 본 논문에서 획득한 ZnO 박막의 물성은 소결된 ZnO target을 사용하였을 경우와 견줄만하다 [4,26,27]. 본 연구에서 제시한 분말 target을 이용한 sputtering 방법은 Ga, Al 등 doping을 통한 ZnO 투명전극을 제조하는데 응용할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서는 ZnO 박막의 구조적, 광학적 특성에 대하여 보고하였으나, ZnO 박막을 투명전극으로 활용하기 위해서는 전기적 특성을 규명하여야 한다.
- 본 연구에서는 ZnO 박막의 구조적, 광학적 특성에 대하여 보고하였으나, ZnO 박막을 투명전극으로 활용하기 위해서는 전기적 특성을 규명하여야 한다. 특히 박막의 두께가 증가함에 따라 표면 거칠기가 매우 크게 증가하므로, 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
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