[논문]라디오파 반응성 마그네트론 스퍼터링으로 증착된 In2O3 박막의 특성에 산소 유량비의 변화가 미치는 효과

곽준호; 조신호

doi:10.5757/jkvs.2010.19.3.224

라디오파 반응성 마그네트론 스퍼터링으로 증착된 In2O3 박막의 특성에 산소 유량비의 변화가 미치는 효과
Influence of Oxygen Flow Ratio on the Properties of In2O3 Thin Films Grown by RF Reactive Magnetron Sputtering 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.19 no.3, 2010년, pp.224 - 229

곽준호 (신라대학교 공과대학 전자재료공학과) , 조신호 (신라대학교 공과대학 전자재료공학과)

초록
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산소 유량비의 변화가 라디오파 반응성 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리 기판 위에 증착된 $In_2O_3$ 투명 전도막의 특성에 미치는 효과를 조사하였다. 증착 온도는 $400^{\circ}C$로 고정하였으며, 스퍼터링 가스와 반응성 가스로 각각 아르곤과 산소 가스를 사용하였다. 산소 유량비는 공급되는 혼합 가스양에 대한 산소의 유량으로 선택하여 10%, 20%, 30%, 40%, 50%로 조절하였다. 증착된 박막의 광학, 전기, 구조적인 특성은 자외선-가시광 분광기, 홀 측정 장치, X-선 회절장치와 전자주사현미경으로 조사하였다. 산소 유량비 20%로 증착된 $In_2O_3$ 박막은 430~1,100 nm 파장 영역에서 86%의 투과율과 $1.1{\times}10^{-1}{\Omega}cm$의 비저항 값을 나타내었다. 실험 결과는 산소 유량비를 적절히 제어함으로써 최적의 조건을 갖는 투명 전도막을 성장시킬 수 있음을 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Indium oxide $(In_2O_3)$ thin films have been prepared on glass substrate by using radio-frequency reactive magnetron sputtering with changing the oxygen flow ratio. The substrate temperature was kept at a fixed value of $400^{\circ}C$, and the sputtering gas and reactive gas were supplied with argon and oxygen, respectively. The oxygen partial flow ratio was varied by controlling the amount of oxygen with respect to the total mixed gases, 10%, 20%, 30%, 40%, and 50%. The optical, electrical, and structural properties of the deposited thin films were investigated by using ultraviolet-visible-near infrared spectrophotometer, Hall measurement, and X-ray diffractometer and scanning electron microscopy. The $In_2O_3$ thin film deposited at 20% of oxygen flow ratio showed an average transmittance of 86% in the wavelength range of 430~1,100 nm, an electrical resistivity of $1.1{\times}10^{-1}{\Omega}cm$. The results show that the transparent conducting films with optimum conditions can be achieved by controlling the oxygen flow ratio.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 가시광 영역에서 높은 투과율과 낮은 비저항 값을 갖는 최적의 In₂O₃ 투명 전도막을 성장시키기 위하여 증착 변수로 반응성 가스인 산소 유량비를 선택하였다. 산소 유량비를 각각 10%, 20%, 30%, 40%, 50%씩 변화시키면서 rf 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리 기판 위에 증착된 In₂O₃ 박막의 구조, 전기, 광학적 특성을 측정하여 최적의 성장 조건을 조사하였다.

제안 방법

성장된 박막의 미세 표면 형상과 두께는 주사전자현미경(scanning electron microscopy: SEM, FE-SEM, Hitachi)을 사용하여 조사하였는데, 박막의 두께는 약 450 nm이었다. In₂O₃ 박막의 결정 구조는 X-선 회절법(X-ray diffraction: XRD, XRD-6000, Shimadzu)으로 관측하였으며, 박막의 광학적 특성은 자외선-가시광 분광기(UV-VIS spectrophotometer, UV2410PC)를 사용하여 파장 300~1,100 nm 범위에서 측정하였다. 이 측정 결과를 사용하여 광학 밴드갭 에너지를 계산하였으며, 박막의 전기적 특성은 van der Pauw 방법을 이용하는 Hall 측정 장치(HMS5500, Ekopia)를 사용하여 비저항, 전하 운반자의 농도, 홀 이동도를 측정하였다.
In2O3 박막의 광학 밴드갭 에너지는 Fig. 4에서 급격히 증가하는 흡수단 영역의 데이터 값에 대한 접선을 α=0인 지점에 직선으로 그어서 만나는 지점의 x축 좌표로 결정하였다.
투명 산화막을 유리 기판 위에 성공적으로 증착하였다. 박막의 구조, 전기, 광학적 특성이 산소 유량비의 함수로 측정되었다. XRD와 SEM 데이터로 부터 박막은 (222)면으로 우선 성장되고, 산소 유량비 30%로 성장된 박막의 결정성이 다른 산소 유량비보다 훨씬 낮은 결과를 보여주었다.
투명 전도막을 성장시키기 위하여 증착 변수로 반응성 가스인 산소 유량비를 선택하였다. 산소 유량비를 각각 10%, 20%, 30%, 40%, 50%씩 변화시키면서 rf 마그네트론 스퍼터링 방법으로 유리 기판 위에 증착된 In₂O₃ 박막의 구조, 전기, 광학적 특성을 측정하여 최적의 성장 조건을 조사하였다.
서로 다른 산소 유량비를 공급하면서 rf 마그네트론 스퍼터링 방법으로 두께 450 nm를 갖는 In₂O₃ 투명 산화막을 유리 기판 위에 성공적으로 증착하였다. 박막의 구조, 전기, 광학적 특성이 산소 유량비의 함수로 측정되었다.
성장된 박막의 미세 표면 형상과 두께는 주사전자현미경(scanning electron microscopy: SEM, FE-SEM, Hitachi)을 사용하여 조사하였는데, 박막의 두께는 약 450 nm이었다. In₂O₃ 박막의 결정 구조는 X-선 회절법(X-ray diffraction: XRD, XRD-6000, Shimadzu)으로 관측하였으며, 박막의 광학적 특성은 자외선-가시광 분광기(UV-VIS spectrophotometer, UV2410PC)를 사용하여 파장 300~1,100 nm 범위에서 측정하였다.
5×10^–2Torr로 유지하였다. 스퍼터링 가스와 반응성 가스로 각각 아르곤과 산소 가스를 사용하였으며, 증착 조건으로는 산소와 아르곤 혼합 가스양에 대한 산소의 유량비, 즉 (O₂/Ar+O₂)를 10%, 20%, 30%, 40%, 50%로 조절하여 공급하였다. 이때 공급되는 Ar과 O₂ 가스의 양은 각각 독립적인 유량 제어기(mass flow controller)로 조절되었다.
박막은 rf 마그네트론 스퍼터링 장치를 사용하여 증착 온도 400 ℃에서 유리 기판(Corning 2010, 면적 10 mm⨉10 mm) 상부에 성장되었다. 유리 기판을 시편 고정대에 장착하기 전에 표면의 유기물을 제거하기 위하여 증류수, 아세톤, 메탄올, 증류수의 순서로 각각 10분 동안 초음파 세척하였다. 스퍼터링 타겟으로는 직경 2", 두께 0.
증착시 기판의 온도는 시편 고정대 뒤에 장착되어 있는 할로겐 램프를 가열하여 400 ℃로 고정하였고, 시편 고정대를 15 rpm의 속도로 회전시켰다. 타겟 표면의 이물질을 제거하기 위하여 30분 동안 예비 스퍼터링을 수행한 다음에 본 스퍼터링을 수행하였다.

대상 데이터

스퍼터링 타겟으로는 직경 2", 두께 0.25"를 갖는 금속 In (순도: 99.999%)을 사용하였고, 타겟과 기판 사이의 간격은 5 cm로 고정하였다.

이론/모형

In₂O₃ 박막의 결정 구조는 X-선 회절법(X-ray diffraction: XRD, XRD-6000, Shimadzu)으로 관측하였으며, 박막의 광학적 특성은 자외선-가시광 분광기(UV-VIS spectrophotometer, UV2410PC)를 사용하여 파장 300~1,100 nm 범위에서 측정하였다. 이 측정 결과를 사용하여 광학 밴드갭 에너지를 계산하였으며, 박막의 전기적 특성은 van der Pauw 방법을 이용하는 Hall 측정 장치(HMS5500, Ekopia)를 사용하여 비저항, 전하 운반자의 농도, 홀 이동도를 측정하였다.

성능/효과

이 결과는 Tan 등 [16]이 제시한 성장 온도가 증가함에 따라 흡수단이 단파장 쪽으로 이동 하는 것과 유사하였다. In₂O₃ 박막의 투과율은 산소 유량비에큰 차이를 보이지 않았고, 파장 영역 400 1,100 nm에서 최저 80%에서 최고 95%로 진동하였다. 이때 관측되는 투과 율의 진동은 박막과 기판에서 반사되는 입사 빛의 간섭 현상에 의해 형성되는 간섭 무늬로써, 박막과 유리 기판 사이의 경계면이 광학적으로 미끄러운 평면으로 되어 있음을 의미한다 [17].
박막의 구조, 전기, 광학적 특성이 산소 유량비의 함수로 측정되었다. XRD와 SEM 데이터로 부터 박막은 (222)면으로 우선 성장되고, 산소 유량비 30%로 성장된 박막의 결정성이 다른 산소 유량비보다 훨씬 낮은 결과를 보여주었다. 광학 밴드갭 에너지는 산소 유량비가 증가함에 따라 증가하였고, 전기 비저항 값은 산소 유량비 20%로 증착된 박막의 경우에 최소값을 주었다.
XRD와 SEM 데이터로 부터 박막은 (222)면으로 우선 성장되고, 산소 유량비 30%로 성장된 박막의 결정성이 다른 산소 유량비보다 훨씬 낮은 결과를 보여주었다. 광학 밴드갭 에너지는 산소 유량비가 증가함에 따라 증가하였고, 전기 비저항 값은 산소 유량비 20%로 증착된 박막의 경우에 최소값을 주었다. 실험 결과는 산소 유량비의 양이 In₂O₃ 박막의 구조, 전기 및 광학적 특성을 선택적으로 제어하는데 중요한 변수임을 제시한다.
2(a)와 (f)에서 보듯이, 산소 유량비 10%에서 성장된 In₂O₃ 박막의 경우에 평균 40 nm의 크기와 450 nm의 높이 분포를 갖는 사다리꼴 형태의 결정 입자들이 서로 비교적 넓은 공극을 형성하면서 유리 기판 위에 성장되어 있음을 관측할 수 있다. 산소 유량비 20%에서 성장한 박막의 경우에 결정 입자는 산소 유량비 10%에서 성장한 시편과 비교하여 크기가 약간 증가하여 평균 50 nm이었으나, 입자들의 크기가 균일하며 입자들 사이의 공극이 메워져 결정성이 향상되었음을 알 수 있다. 산소 유량비 30%의 경우에는 결정 입자의 크기가 비교적 불균일하며 서로 용해되는 현상을 나타내었으나, 산소 유량비가 더욱 증가함에 따라 결정 입자의 밀도가 증가하면서 더욱 선명한 모서리를 갖으며 입자들 사이의 공극이 완전히 메워지는 입방체 형태의 입자들이 형성되었다 [Fig.
4에서 급격히 증가하는 흡수단 영역의 데이터 값에 대한 접선을 α=0인 지점에 직선으로 그어서 만나는 지점의 x축 좌표로 결정하였다. 산소 유량비가 각각 10%, 20%, 30%, 40%, 50%으로 증가함에 따라 박막의 광학 밴드갭 에너지는 각각 3.66, 3.67, 3.69, 3.69, 3.71 eV으로 증가하였다. Fig.
8⨉10^-1 Ωcm이었다. 산소 유량비가 증가함에 따라 전하 운반자의 농도가 증가하였으나, 산소 유량비 30%에서 급격히 감소하여 최소값을 나타내었고, 다시 산소 유량비가 증가함에 따라 증가하는 추세를 보였다. 반면에, 전기 비저항 값은 점차적으로 감소하다가 산소 유량비 30%에서 최대값을 나타내었다.
광학 밴드갭 에너지는 산소 유량비가 증가함에 따라 증가하였고, 전기 비저항 값은 산소 유량비 20%로 증착된 박막의 경우에 최소값을 주었다. 실험 결과는 산소 유량비의 양이 In₂O₃ 박막의 구조, 전기 및 광학적 특성을 선택적으로 제어하는데 중요한 변수임을 제시한다.
위의 결과를 토대로 하여 박막의 전기 비저항 값 ρ은 ρ~(nμ)-1의 관계식을 만족함을 알 수 있었다.
9Ω^-1cm^-1을 나타내었다. 이 결과로부터 산소 유량비가 20% 일 때 최적의 투명 전도 산화막이 성장됨을 알 수 있었다.
이때 관측되는 투과 율의 진동은 박막과 기판에서 반사되는 입사 빛의 간섭 현상에 의해 형성되는 간섭 무늬로써, 박막과 유리 기판 사이의 경계면이 광학적으로 미끄러운 평면으로 되어 있음을 의미한다 [17]. 파장 430 1,100 nm에서 산소 유량비 10%, 20%, 30%, 40%, 50%로 증착된 박막의 평균 투과율은 각각 86.0%, 86.0%, 86.4%, 86.9%, 87.1%이었다. 산소 유량비가 증가함에 따라 평균 투과율이 증가함을 알 수 있다.

후속연구

SEM 데이터를 살펴보면, 산소 유량비 50%일 때 결정 입자의 크기 분포가 매우 균일하며 미세 틈의 형성이 거의 없어서 입사 빔이 박막 내부에서 산란되는 확률이 작아서 투과율이 증가하는 것으로 판단할 수 있다. 본 연구에서 성장된 In₂O₃ 박막의 가시광과 근적외선 영역에서 측정된 높은 투과율은 이 박막을 태양전지와 광전소자의 투명 전극으로 응용할 가능성을 제공한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	In2O3 박막은 어디에 응용되는가?	7 eV의 직접 전이 밴드갭 에너지를 갖고, 가시광 영역에서 높은 투과도와 적외선 영역에서 높은 반사율을 보이는 넓은 밴드갭 에너지를 갖는 반도체이다 [4]. 특히, In2O3 박막은 투명 전도 산화막으로써, 오존 검출을 위한 가스 센서의 활성층, 태양 전지, 열 반사 거울과 액정 디스플레이의 투명 전극, 실리콘 태양 전지의 반사 방지막으로 응용 가능한 물질이지만, 화학양론(stoichiometry)에 따라 서로 다른 결정 구조와 전기적 특성을 갖는 것으로 보고되고 있다 [5]. 전자의 경우에 두 종류의 결정 구조, 즉 체적 입방(body-centered cubic) 구조와 사방육면체(rhombohedral) 구조를 나타내며, 후자의 경우에는 금속, 반도체, 절연체의 전기적 특성을 갖는 것으로 알려져 있다 [6].
	In2O3가 도체가 되기위한 조건은?	화학양론비를 갖는 In2O3는 절연체이며, 산소가 부족한 비화학양론비로 성장된 박막은 전도성을 띤다. 특히, 도체가 되기 위해서는 증착된 박막에서 자유 전자와 산소 빈자리와 같은 전하 운반자의 밀도가 높아야 하며, 산소가 부족한 형태(InOx)로 증착되면 산소 빈자리와 같은 본질적인 결함 때문에 n-형의 반도체 특성을 나타낸다 [7].
	산화물 반도체로는 무엇이 있나?	최근에 ZnO, CdO, In2O3, SnO2와 같은 산화물 반도체를 평판 디스플레이, 태양전지, 광다이오드, 확산 방지막 (diffusion barriers), 가스 센서의 투명 전극으로 개발하기 위하여 많은 연구가 진행 중에 있다 [1-3]. 이 중에서, In2O3는 3.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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