[논문]DC 마그네트론 스퍼터링법에 의한 대면적 투명전도성 ZnO(Al)와 ZnO(AlGa) 박막제조 및 물리적 특성 연구

손영호; 최승훈; 박중진; 정명효; 허영준; 김인수

doi:10.5757/jkvs.2013.22.3.119

DC 마그네트론 스퍼터링법에 의한 대면적 투명전도성 ZnO(Al)와 ZnO(AlGa) 박막제조 및 물리적 특성 연구
Fabrication and Study of Transparent Conductive Films ZnO(Al) and ZnO(AlGa) by DC Magnetron Sputtering 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.22 no.3, 2013년, pp.119 - 125

손영호 ((주)유시스텍 기술연구소) , 최승훈 ((주)유시스텍 기술연구소) , 박중진 ((주)유시스텍 기술연구소) , 정명효 ((주)유시스텍 기술연구소) , 허영준 (경운대학교 신소재에너지학과) , 김인수 (경운대학교 신소재에너지학과)

초록
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In-line magnetron sputtering system을 사용하여 대면적($60{\times}60cm^2$) 소다라임 유리기판위에 투명전도성 ZnO(Al)와 ZnO(AlGa) 박막을 500 nm에서 1,450 nm까지 두께별로 증착하여 전기적, 광학적 특성을 연구하였다. XRD를 통해 c-축 방향성(002)을 가지고 성장된 것을 확인 하였다. Hall 특성 분석을 통해 이동도 및 캐리어 농도의 특성을 확인 하였으며, 그에 따른 ZnO(AlGa)의 비저항이 $9.03{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}cm$에서 $7.83{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}cm$으로 ZnO(Al) 보다 높게 나타났으며, 가시광선 영역에서 투과율은 87.6%에서 84.3%으로 나타났다. 따라서 ZnO(AlGa)는 전기적 특성이 우수하고 높은 투과율로 대면적용 투명전도성 재료로의 활용에 적합한 특성을 지닌 것을 확인 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we studied the properties of ZnO(Al) and ZnO(AlGa) thin film according to film thickness deposited on SLG by In-line magnetron sputtering system. XRD, FESEM, 4-point probe, Hall measurement system and UV/Vis-NIR spectrophotometer were employed to analyze the properties of ZnO(Al) and ZnO(AlGa) thin film. The all films exhibited (002) preferential orientation with clear peak shape and high intensity. The carrier concentration and Hall mobility of ZnO(Al) and ZnO(AlGa) thin film were improved with increasing thickness. The resistivity of both films decreased when the film thickness was raised from 500 nm to 1,450 nm. And then relatively the resistivity of ZnO(AlGa) film was lower than that of ZnO(Al) film. The transmittance of the films decreased with increasing film thickness but all films exhibited optical transmittances of over 83.3% in the visible region.

주제어

AI 본문요약
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Figure 2. XRD diffraction patterns of (a) ZnO(Al) film and (b) ZnO(AlGa) film deposited at same condition.
Figure 2. XRD diffraction patterns of (a) ZnO(Al) film and (b) ZnO(AlGa) film deposited at same condition.

제안 방법

기판온도는 챔버 내의 시스 히터(sheath heater)을 이용하여, 기판온도가 160℃로 안정화 될 때까지 충분한 시간을 두어 제어 하였다. DC 스퍼터 건(sputter gun)의 제어는 재현성 있는 테스트를 위하여 파워(power, W) 제어 방법을 사용하였고, 파워는 5 kW로 고정 하였다. 균일한 박막 형성과 두께를 얻기 위해 기판 운송 장치(carrier)의 이동속도 800 mm/min로 고정하여, 원하는 박막두께가 형성될 때까지 반복(scan repeat) 하였다.
DC 스퍼터 건(sputter gun)의 제어는 재현성 있는 테스트를 위하여 파워(power, W) 제어 방법을 사용하였고, 파워는 5 kW로 고정 하였다. 균일한 박막 형성과 두께를 얻기 위해 기판 운송 장치(carrier)의 이동속도 800 mm/min로 고정하여, 원하는 박막두께가 형성될 때까지 반복(scan repeat) 하였다. Table 1에 ZnO(Al)와 ZnO(AlGa) 박막의 증착 공정조건에 대해 정리하여 나타내었다.
0 mTorr로 제어 하였다. 기판온도는 챔버 내의 시스 히터(sheath heater)을 이용하여, 기판온도가 160℃로 안정화 될 때까지 충분한 시간을 두어 제어 하였다. DC 스퍼터 건(sputter gun)의 제어는 재현성 있는 테스트를 위하여 파워(power, W) 제어 방법을 사용하였고, 파워는 5 kW로 고정 하였다.
대 면적(60×60 cm2)으로 증착된 ZnO(Al) 박막과 ZnO(AlGa) 박막을 각각 4-point probe로 측정한 면저항 평균값과 박막의 두께 값을 이용하여 비저항을 구하였다.
전기적 특성 연구로 Hall measurement system (Ecopia, HMS-5,000)을 이용하여 박막의 전자 이동도, 캐어리 농도를 측정 및 분석하였고, 4-point probe (Dasol eng, FPP-2,000)를 사용하여 측정된 면저항(sheet resistance) 값과 두께 값을 이용하여 박막의 비저항(resistivity)을 구하였다. 또한 광학적 특성을 확인하기 위해 UV/Vis-NIR Spectrophotometer (Agilent technology, Cray5,000)을 이용하여 투과율을 측정 및 비교 분석하였다.
54 Å)를 사용하여 분석하였다. 또한 전계방출주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FESEM; Hitachi, S4800)을 사용하여 박막의 결정입자의 형태와 크기, 성장형태를 확인하였고, 각 박막의 증착두께를 측정하였다.
박막의 결정성 및 결정입자 크기를 확인하기 위해 X선 회절 장치(X-Ray Diffractometer, XRD; PANalytical, X’Pert PRO, Wavelength: Cu 1.54 Å)를 사용하여 분석하였다.
본 연구에서는 In-lin magnetron sputtering system 에서 ZnO에 2 wt% Al을 도핑한 ZnO(Al)와 ZnO에 1 wt% Al, Ga 1 wt%를 도핑한 ZnO(AlGa)을 타겟 물질로 사용하여 대면적(60×60 cm2) 소다라임 유리기판 위에 투명전도성 ZnO(Al) 및 ZnO(AlGa) 박막을 제조하여 그 특성이 분석하였다.
전기적 특성 연구로 Hall measurement system (Ecopia, HMS-5,000)을 이용하여 박막의 전자 이동도, 캐어리 농도를 측정 및 분석하였고, 4-point probe (Dasol eng, FPP-2,000)를 사용하여 측정된 면저항(sheet resistance) 값과 두께 값을 이용하여 박막의 비저항(resistivity)을 구하였다. 또한 광학적 특성을 확인하기 위해 UV/Vis-NIR Spectrophotometer (Agilent technology, Cray5,000)을 이용하여 투과율을 측정 및 비교 분석하였다.
) 소다라임 유리기판 위에 ZnO(Al) 박막 및 ZnO(AlGa) 박막을 각각 제작하였다. 제작된 박막은 결정성 및 전기적, 광학적 특성에 중점에 두어 비교 연구하였다.
증착 공정압력은 순도 99.995% 이상의 Ar, O₂ 가스를 MFC (mass flow controller)를 사용하여, 각각 Ar 80 sccm, O₂ 1.0 sccm 로 주입하여 챔버 내의 증착 공정압력을 1.0 mTorr로 제어 하였다. 기판온도는 챔버 내의 시스 히터(sheath heater)을 이용하여, 기판온도가 160℃로 안정화 될 때까지 충분한 시간을 두어 제어 하였다.

대상 데이터

위의 식에서 λ는 X-선의 파장, θ는 회절각, B는 반치폭(full width half maximum, FWHM)을 나타낸다. XRD의 X-선의 파장은 1.54 Å으로 사용하였고, ZnO(Al)와 ZnO AlGa)의 반치폭은 각각 0.135^o와 0.125^o로 측정되었다. 위의 식에 의해 계산된 ZnO(Al)와 ZnO(AlGa)의 결정립 크기는 각각 56.
본 논문의 실험에서 사용된 기판은 소다라임유리(soda lime glass)로 60×60 cm2 크기에 3 mm 두께를 사용하였고, 표면의 불순물 제거를 위하여 아세톤, 에탄올 및 deionized water를 사용한 초음파 세척으로 전처리 과정을 거쳤다.
본 연구에서는 In-line magnetron sputtering system에서 ZnO에 2 wt% Al을 도핑한 ZnO(Al)와 ZnO에 1 wt% Al, Ga 1 wt%를 도핑한 ZnO(AlGa)을 타겟 물질로 사용하여, 대 면적(60×60 cm2) 소다라임 유리기판 위에 ZnO(Al) 박막 및 ZnO(AlGa) 박막을 각각 제작하였다.
스퍼터링에 사용한 타겟 물질은 ZnO에 Al을 2%도핑된 ZnO(Al)와 ZnO에 Al 1%, Ga 1% 도핑한 ZnO(AlGa)으로 순도 99.99%으로 1,100×120 mm2을 크기를 사용하였고, 기판과 타겟 간의 거리는 85 mm로 고정하였다.

성능/효과

(a) ZnO(Al) 박막의 두께가 500 nm 에서 1,450 nm로 증가 할 때 캐리어 농도는 3.39×1020 cm-3에서 4.85×1020 cm-3로 증가되었다.
이것은 박막의 두께가 증가할수록 결정립이 증가하는 일반적인 박막의 성장 특성과 그 경향이 같다. SEM 표면 사진에서 같은 두께일 때 (b) ZnO(AlGa) 결정립 크기가 (a) ZnO(Al)에 비해 상대적으로 미세하게 큰 것을 확인 할 수 있었는데, 이것은 앞의 XRD 결과에서의 결정립 크기 계산과 그 경향이 일치한다. 그리고 (a) ZnO(Al) 박막에 비해 (b) ZnO(AlGa) 박막이 결정립 사이의 공극이 적으면서 조밀한 구조의 박막이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
두 박막 모두 두께가 증가할수록 이동도도 증가하는 경향을 가진다는 것을 확인할 수 있는데, 이는 박막의 두께가 증가함에 따라 결정립 산란이 줄어들 뿐만 아니라 캐리어 수명이 연장되기 때문이다 [16]. 또한, (a) ZnO(Al) 박막 보다 (b) ZnO (AlGa) 박막의 이동도 특성이 전체적으로 증가되어 이동도 특성이 개선된 것을 확인할 수 있다. 이는 Ga의 도핑으로 인해 결정립 크기가 증가하면서 결정립계가 줄어들고 공극 또한 감소하게 되고, 상대적으로 표면적 또한 줄어들어 산소의 흡착이 줄어들면서 박막 내 결함 감소되어 이동도가 증가한 것으로 사료된다 [3,17].
각각의 박막의 두께는 SEM 단면을 통해 확인 하였다. 이 결과에서 (a) ZnO(Al), (b) ZnO(AlGa) 박막 모두 두께가 증가할수록 결정립 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 박막의 두께가 증가할수록 결정립이 증가하는 일반적인 박막의 성장 특성과 그 경향이 같다.
(b) ZnO(AlGa) 박막은 두께 500 nm에서 1,450 nm로 증가할 때 비저항 값이 9.03×10-4 Ω·cm에서 7.83×10-4 Ω·cm으로 감소하여 나타났다.
06 cm²/Vs에서 20.56 cm²/Vs으로 증가되었으며, (b) ZnO(AlGa) 박막의 두께가 500 nm에서 1,450 nm로 증가 할 때 이동도는 19.52 cm²/ Vs에서 22.51 cm²/Vs로 증가되어 나타났다. 두 박막 모두 두께가 증가할수록 이동도도 증가하는 경향을 가진다는 것을 확인할 수 있는데, 이는 박막의 두께가 증가함에 따라 결정립 산란이 줄어들 뿐만 아니라 캐리어 수명이 연장되기 때문이다 [16].
(b) ZnO(AlGa) 박막의 두께가 500 nm에서 1,450 nm로 증가할 때 가시광선 영역에서 최고 투과율은 87.6% (λ=501 nm)에서 84.3% (λ=543 nm)으로 감소하였다.
(b) ZnO(AlGa) 박막의 두께가 500 nm에서 1,450 nm으로 증가 할 때 캐리어 농도는 3.69×1020 cm-3에서 3.87×1020 cm-3으로 변화 폭이 작으면서 전체적으로 안정화 되는 경향을 보이고 있다.
SEM 표면 사진에서 같은 두께일 때 (b) ZnO(AlGa) 결정립 크기가 (a) ZnO(Al)에 비해 상대적으로 미세하게 큰 것을 확인 할 수 있었는데, 이것은 앞의 XRD 결과에서의 결정립 크기 계산과 그 경향이 일치한다. 그리고 (a) ZnO(Al) 박막에 비해 (b) ZnO(AlGa) 박막이 결정립 사이의 공극이 적으면서 조밀한 구조의 박막이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 이는 ZnO에 Ga이 도핑되면 Ga⁺³이 Zn⁺²로 치환되면서 Ga-O (0.
두 박막 모두 두께따라 차이는 있지만, 가시광선 영역에서 83.3% 이상의 투과율을 나타내 투명전도성에 부합하는 특성 가지는 것을 확인 하였고, 또한 두께 따른 투과율 변화폭이 (b) ZnO(AlGa) 박막이 작게 나타나 상대적으로 안정성을 가지는 것으로 사료된다.
두 박막 모두 두께가 증가할수록 비저항 값이 감소하는 경향은 같았지만, (a) ZnO(Al) 박막 비해 (b) ZnO(AlGa) 박막의 비저항 값이 더 낮게 나타났다. 따라서 ZnO(AlGa) 박막의 전기적 특성이 상대적으로 우수한 것을 알 수 있었다. 이는 ZnO (AlGa) 박막의 비저항이 Ga 도핑으로 두께에 따라 안정화된 캐리어 농도 보다는 상대적으로 증가된 이동도에 더 영향을 받은 것으로 판단된다.
박막 제조 시 외부로부터 오염을 최대한 줄이기 위해 로터리 펌프(rotary pump), 부스터 펌프(booster pump), 터버분자펌프(turbo molecular pump)를 이용하여 챔버(chamber) 내의 초기 진공도(base pressure)를 8.0×10-7 Torr 이하로 압력을 최소화함으로써 오염가능성을 줄였다.

후속연구

이는 ZnO (AlGa) 박막의 비저항이 Ga 도핑으로 두께에 따라 안정화된 캐리어 농도 보다는 상대적으로 증가된 이동도에 더 영향을 받은 것으로 판단된다. 따라서 Ga 도핑의 조절로 고 이동도 특성을 가지는 박막이 제조 가능하고 이를 통해 우수한 전기적 특성을 가지는 ZnO 기반의 대면적 투명전도성 박막이 제조가 가능할 것으로 사료된다.
3%으로 얻어졌다. 위의 결과들로 볼 때 ZnO(AlGa) 박막은 전기적 특성이 우수하며 높은 투과율로 인해 차세대 대면적 투명전도성 재료의 활용이 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ITO의 장점은?	일반적으로 투명전도성 산화물은 가시광선 영역에서 높은 투과율(80% 이상)과 낮은 전기저항성(1×10-3 Ω·cm)을 가져야 한다. 가장 대표적인 재료인 ITO (indium tin oxide)는 높은 투과율(90%)과 낮은 전기저항성(2×104 Ω·cm), 높은 일함수(4.8 eV)로 인해 주로 사용되어 진다 [2]. 하지만, ITO 사용량 증가는 ITO 주성분인 인듐의 수요 증가를 이끌어 인듐 가격의 상승을 일으켰으며, 향후 한정된 인듐자원으로 인해 인듐 부족이 예상되어지고 또한 ITO의 장기 사용 시 독성으로 인한 환경적인 문제 대두되고 있어 ITO 대체재 확보의 필요성이 증가되고 있다 [3].
	투명 전도성 산화물은 어디에 사용되는가?	투명 전도성 산화물(TCO, transparent conductive oxide)는 TFT-LCD, PDP, OLED와 같은 평면디스플레이와 태양전지와 같은 다양한 투명전자소자에 사용되기 때문에 많은 관심을 받고 있다 [1]. 일반적으로 투명전도성 산화물은 가시광선 영역에서 높은 투과율(80% 이상)과 낮은 전기저항성(1×10-3 Ω·cm)을 가져야 한다.
	투명 전도성 산화물은 어떤 특성을 가져야 하는가?	투명 전도성 산화물(TCO, transparent conductive oxide)는 TFT-LCD, PDP, OLED와 같은 평면디스플레이와 태양전지와 같은 다양한 투명전자소자에 사용되기 때문에 많은 관심을 받고 있다 [1]. 일반적으로 투명전도성 산화물은 가시광선 영역에서 높은 투과율(80% 이상)과 낮은 전기저항성(1×10-3 Ω·cm)을 가져야 한다. 가장 대표적인 재료인 ITO (indium tin oxide)는 높은 투과율(90%)과 낮은 전기저항성(2×104 Ω·cm), 높은 일함수(4.

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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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