[논문]태양전지 CIGS용 Mo 후면전극의 전기 저항에 관한 연구

김강삼; 조용기

doi:10.5695/jkise.2011.44.6.264

[국내논문] 태양전지 CIGS용 Mo 후면전극의 전기 저항에 관한 연구
The Study on the Electrical Resistivity for Mo Back Contacts Film of CIGS Solar Cell 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.44 no.6, 2011년, pp.264 - 268

김강삼 (한국생산기술연구원, 뿌리산업기술연구본부, 열.표면연구그룹) , 조용기 (한국생산기술연구원, 뿌리산업기술연구본부, 열.표면연구그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

The Molybedenium thin film is generally used on back contact material of CIGS solar cell due to low electrical resistivity and stable thermal expansion coefficient. The Mo thin films deposited on si wafer by the magnetron sputtering method. The research focused on the variation of electrical resistivity of films which deposited with various working pressure at the target power of 2.0 kW(8.4 W/). The lowest resistivity of Mo thin film showed $9.0{\mu}O$-cm at pressure of 1.5 mTorr. However, working pressure increasing up to 50 mTorr, resistivities were highly increased. The results showed that the conductivity of Mo films depended on growing structures and defects in deposition process. Surface morphology, porosity, grain size, oxidation, and bonding structures were analysed by SEM, AFM, spectroscopic ellipsometry (SE), XRD, and XPS.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Mo 박막의 대면적화와 고속증착공정을 개발함에 있어서 스퍼터링 일드를 높이고 더불어 낮은 전기저항을 갖는 박막을 증착하기 위해서는 공정압력과 인가전력은 중요한 공정요인이었다. 스퍼터링 타겟의 인가전력과 공정압력 변화를 조사한 예비실험⁵⁾을 통하여 전기저항이 증착공정의 압력조건에 따라서 매우 변화하는 것을 알게 되어, 본 연구에서는 Mo 박막의 증착과정에서 공정압력에 따라 전기저항의 급격히 변화하는 원인에 대해 고찰하고자 하였다.
이러한 조사를 위하여 Mo 박막을 1.5 mTorr에서 50 mTorr까지 변화를 주었으며 압력조건에 따라서 증착되는 박막의 표면형상, 성장구조, 불순물의 존재여부 등을 조사함으로서 전기저항 변화에 주요하게 미치는 인자가 무엇이었는지에 대한 결과를 보고하고자 한다.

가설 설정

공정압력이 증가하면 굴절율과 소광계수는 감소하는 경향을 보였으며 굴절율의 감소가 의미하는 것은 박막 내의 밀도가 작아져 나타나는 현상으로 사료된다. 먼저, 1.5 mTorr 의 공정압력을 기준으로 박막 내의 공극율은 단위면적당 비어있는 상태를 0%로 가정하여 압력 변화에 따른 공극율을 계산하였다. 그리고 50 mTorr 의 공정압력에서 단위면적당 비어있는 공극율은 최대 48%를 얻었다.

제안 방법

증착변수에 대한 미세구조를 관찰하기 위해 XRD (X’pert-PRO, Cuka선) 구조분석으로 Mo (110) 배향의 결정립 크기를 조사하였으며 SEM (NOVA- NANO200) & AFM으로 표면형상을 관찰하였다. Mo 박막 내의 공극율을 알아보고자 광특성 분석방법으로 Spectroscopic Ellipsometry (SEMG-1000UV)를 이용하여 소광계수(k)와 굴절률(n)을 알아보았다. 마지막으로 XPS (thermo multilab 2000) 분석으로 Mo 박막의 결합에너지를 Mo와 MoOx으로 구분하여 Mo와 산화물 형성에 대해 조사하였다.
Mo 박막의 증착에서 공정압력에 따른 전기저항의 변화에 대해서 조사하였다. 공정압력의 증가에 따라서 저항의 증가율은 매우 급격히 변화하였다.
2 eV 이동되어 관측되었다. Mo, MoO₂, MoO₃의 피크를 피팅하여 각 피크의 면적을 계산하였고 Mo 박막의 산화물 비율은 4.2%와 1.8%를 나타내었다(그림 6). 그림 5(b)는 공정압력이 50 mTorr에서 Mo 3d5/2(228.
각 공정 압력별 공정시간은 기초실험을 통하여 각각의 증착시간을 계산하여 약 1 µm를 기준으로 금속 Mo 박막을 성막하였다.
Mo 박막 내의 공극율을 알아보고자 광특성 분석방법으로 Spectroscopic Ellipsometry (SEMG-1000UV)를 이용하여 소광계수(k)와 굴절률(n)을 알아보았다. 마지막으로 XPS (thermo multilab 2000) 분석으로 Mo 박막의 결합에너지를 Mo와 MoOx으로 구분하여 Mo와 산화물 형성에 대해 조사하였다.
박막의 성장과정에 대한 조사로 Mo 박막 표면형상을 AFM과 SEM으로 관찰하였고 엘립소메트리를 이용한 광학분석을 통해 박막의 공극율 조사 및 XPS를 통한 Mo 박막의 결합구조 분석으로 전기저항에 미치는 인자를 찾고자 하였다.
스퍼터링법에 의해 증착된 박막은 성장과정에서 형성되는 핀홀과 미세공극의 생성과 산소와의 친화력이 매우 높은 Mo 박막이 표면 원자와의 반응을 통하여 산화물을 형성^4,7-9)하고 이러한 공극과 산화물의 분포정도에 따라서 박막의 저항이 바뀌는 것으로 판단되어 Spectroscopic ellipsometry (SE)를 통한 공극율 조사와 XPS를 통한 Mo 박막의 결합구조를 조사하였다.
시료의 장입 후 초기 배기진공을 1.0 × 10−5 Torr까지배기하였으며 시료의 플라즈마 전세정으로 이온 에칭은 Ar 가스를 인입하여 Uni-Polar Pulse 로 −750 V 조건에서 20분 동안 진행하였다.
인가전력이 8.2 W/cm²(2.0 kW)에서 공정압력에 따른 박막 내의 공극 형성에 대해 SE 광특성분석으로 박막의 굴절률(n)과 소광계수(k)을 633 nm 파장에서 측정하였다^6,10). 박막의 굴절율과 소광계수의 측정값을 통해 공정압력의 변화에 대한 공극율을계산하였고, 그 결과를 그림 4에 나타내었다.
증착변수에 대한 미세구조를 관찰하기 위해 XRD (X’pert-PRO, Cuka선) 구조분석으로 Mo (110) 배향의 결정립 크기를 조사하였으며 SEM (NOVA- NANO200) & AFM으로 표면형상을 관찰하였다.

이론/모형

Mo 박막은 DC 마그네트론 스퍼터링법으로 증착하였으며, 시편은 전기저항 및 광특성분석 측정을 위하여 Si wafer (25 mm × 25 mm)를 사용하였다.
같은 인가전력(8.2 W/cm²)에서 공정압력변화(1 mTorr~50 mTorr)에 따른 전기저항측정은 4-point probe (CMT-SR 1000N)를 이용하였다. 증착변수에 대한 미세구조를 관찰하기 위해 XRD (X’pert-PRO, Cuka선) 구조분석으로 Mo (110) 배향의 결정립 크기를 조사하였으며 SEM (NOVA- NANO200) & AFM으로 표면형상을 관찰하였다.

성능/효과

Mo 박막의 증착공정조건에 따른 전기저항에 대한 결과를 그림 1에 나타내었다. 4-point probe으로 측정한 Mo 박막의 전기저항은 인가전력이 높을수록 더 낮은 저항을 보였다. 인가 전력이 4.
SEM과 AFM 결과로 공정압력의 변화폭을 넓게하여 증착한 Mo 박막의 성장구조가 Thornton의 박막 성장메카니즘의 Zone 모델에 근사하는 것으로 사료된다. 고진공 영역에서는 기판에 도달하는 많은 입자들의 높은 충격에너지로 인해 원자 피닝 효과가 증가함으로서 섬유질상의 조직구조를 갖는 조밀한 Mo 박막이 Zone T 구간에서 성장하게 된다.
결론으로 타겟인가전력(8.2 W/cm2)과 1.5 mTorr의 공정압력에서 증착한 Mo 박막에서 가장 낮은 9.0 µΩ-cm의 전기저항을 보였으며, 결정성장구조가 치밀하고 증착과정에서 형성되는 공극이 적은 Mo 박막의 전기저항이 낮게 나타났다.
공극율의 계산과정에서 산소친화력이 높은 Mo 표면원자와 산소와의 결합이 있으나 광분석과정에서 산화물의 유무에 따른 굴절율의 변화보다 박막의 공극에 따라서 광특성변화가 더 크다고 판단하여 산화물에 대한 변화는 고려하지 않았다.
5 mTorr 의 공정압력을 기준으로 박막 내의 공극율은 단위면적당 비어있는 상태를 0%로 가정하여 압력 변화에 따른 공극율을 계산하였다. 그리고 50 mTorr 의 공정압력에서 단위면적당 비어있는 공극율은 최대 48%를 얻었다. 그러므로 박막의 표면으로부터 불순물이 결합할 수 있는 확률은 공정압력의 증가에 따라 높아지는 것을 의미하게 된다.
실험 결과에서 높은 Ar 분압영역에서 증착되는 주상정구조의 Mo 박막은 전기저항이 매우 높고, 낮은 Ar 분압에서 증착된 섬유질상의 서로 엉켜있는 구조의 Mo 박막은 저항이 낮았다. 따라서 박막의 성장구조가 전기저항과 매우 밀접한 관계가 있음을 알 수 있었다.
실험 결과에서 높은 Ar 분압영역에서 증착되는 주상정구조의 Mo 박막은 전기저항이 매우 높고, 낮은 Ar 분압에서 증착된 섬유질상의 서로 엉켜있는 구조의 Mo 박막은 저항이 낮았다. 따라서 박막의 성장구조가 전기저항과 매우 밀접한 관계가 있음을 알 수 있었다.
이러한 결과로서 결정립 크기의 증감에 의한 전기저항의 변화 원인은 결정립 크기보다 박막 성장과정의 성장구조와 박막의 결함, 불순물에 의한 영향이 전기저항에 미치는 더 중요한 인자로 판단하였다.
4-point probe으로 측정한 Mo 박막의 전기저항은 인가전력이 높을수록 더 낮은 저항을 보였다. 인가 전력이 4.1 W/cm2 ,6.1 W/cm² , 8.2 W/cm²일 때 공정압력에 따른 결정립 크기와 전기저항은 서로 상관관계가 있음을 확인하였다. 특히, Mo 타겟 인가전력(8.
피크분석을 통하여 Mo 박막 내의 MoO₂ 와 MoO₃의 불순물 비율이 9.9%와 11.7%로 증가하였음을 알 수 있었다. 그림 6에서 공정압력이 1.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 실험한 Mo 박막의 증착에서 공정압력에 따른 전기저항의 변화에 조사한 결과는 어떠한가?	Mo 박막의 증착에서 공정압력에 따른 전기저항의 변화에 대해서 조사하였다. 공정압력의 증가에 따라서 저항의 증가율은 매우 급격히 변화하였다. Mo 박막의 전기저항은 공정압력이 1 mTorr에서 10 mTorr까지는 크게 변화가 없다가 10 mTorr 이상이 되면 저항이 매우 증가하였다. Mo 박막과 저항의 관계에서 결정립 크기에 의한 영향은 크게 받지 않았으며, 박막의 성장구조와 박막의 공극율이 매우 밀접한 관계가 있음이 조사되었다. 결론으로 타겟인가전력(8.2 W/cm2)과 1.5 mTorr의 공정압력에서 증착한 Mo 박막에서 가장 낮은 9.0 µΩ-cm의 전기저항을 보였으며, 결정성장구조가 치밀하고 증착과정에서 형성되는 공극이 적은 Mo 박막의 전기저항이 낮게 나타났다.
	Mo 박막의 일반적인 증착방법은 무엇인가?	Mo 박막은 500oC 이상의 고온에서 CIS 및 CIGS 용 후면전극으로서 낮은 전기저항성, 열팽창계수 및 기계적 특성이 우수하여 박막형 태양전지인 CIS/CIGS 흡수층에서 생성된 전하의 이동전극으로 적합한 재료로서 사용되고 있다1-3). Mo 박막은 스퍼터링법에 의해 이중층으로 제조되는 것이 일반화된 증착방법이며 증착되는 공정압력과 인가전력에 의해 전기적 특성의 변화가 크게 나타난다. 높은 Ar 분압에서 기판재와 밀착성을 높이기 위해 Mo 박막을 증착하고 낮은 Ar 분압에서 낮은 전기저항성을 갖는 Mo 박막을 증착하고 있다4).
	Mo 박막은 어떤 특성을 가지고 있는가?	Mo 박막은 500oC 이상의 고온에서 CIS 및 CIGS 용 후면전극으로서 낮은 전기저항성, 열팽창계수 및 기계적 특성이 우수하여 박막형 태양전지인 CIS/CIGS 흡수층에서 생성된 전하의 이동전극으로 적합한 재료로서 사용되고 있다1-3). Mo 박막은 스퍼터링법에 의해 이중층으로 제조되는 것이 일반화된 증착방법이며 증착되는 공정압력과 인가전력에 의해 전기적 특성의 변화가 크게 나타난다.

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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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