펄스 레이저 증착(Pulsed laser Deposition: PLD) 및 RF스퍼터링 증착(Sputtering Deposition)의 단계적 적용을 통해, 표면탄성파대역 통과 필터(Surface Acoustic Wave Bandpass Filter: SAW-BPF)용 ZnO박막을 성장시켰다. PLD 방법으로 성장된 ZnO 박막위에 RF sputtering 방법을 사용하여 ZnO 박막을 재증착시켰으며, 성장된 ZnO 박막의 물성을 분석하기 위하여 XRD, SEM 및 AFM 분석장비를 사용하였다. 두 가지 증착 방법이 단계적으로 적용되어 성장된 ZnO 박막의 경우, 결정성과 배향성이 우수하게 유지되면서 표면거칠기가 향상되었다. 분석 결과, ${\omega}$-scan의 반치폭과 표면거칠기의 RMS 값은 각각 $0.79^{\circ}$와 1.108 nm였다. 그리고 성장된 양질의 ZnO 박막을 사용하여 SAW-BPF를 제작하여 측정한 결과는 응답 특성의 중심주파수가 260.8 MHz, 대역폭은 2.98 MHz, 그리고 삽입손실은 36.5 dB이었다.
펄스 레이저 증착(Pulsed laser Deposition: PLD) 및 RF 스퍼터링 증착(Sputtering Deposition)의 단계적 적용을 통해, 표면탄성파 대역 통과 필터(Surface Acoustic Wave Bandpass Filter: SAW-BPF)용 ZnO 박막을 성장시켰다. PLD 방법으로 성장된 ZnO 박막위에 RF sputtering 방법을 사용하여 ZnO 박막을 재증착시켰으며, 성장된 ZnO 박막의 물성을 분석하기 위하여 XRD, SEM 및 AFM 분석장비를 사용하였다. 두 가지 증착 방법이 단계적으로 적용되어 성장된 ZnO 박막의 경우, 결정성과 배향성이 우수하게 유지되면서 표면거칠기가 향상되었다. 분석 결과, ${\omega}$-scan의 반치폭과 표면거칠기의 RMS 값은 각각 $0.79^{\circ}$와 1.108 nm였다. 그리고 성장된 양질의 ZnO 박막을 사용하여 SAW-BPF를 제작하여 측정한 결과는 응답 특성의 중심주파수가 260.8 MHz, 대역폭은 2.98 MHz, 그리고 삽입손실은 36.5 dB이었다.
For development of the surface acoustic wave bandpass filter(SAW-BPF), we fabricated the high quality ZnO thin films through the step-by-step(double) deposition using two different deposition methods which are pulsed laser deposition(PLD) and RF sputtering techniques. The second growth of ZnO thin f...
For development of the surface acoustic wave bandpass filter(SAW-BPF), we fabricated the high quality ZnO thin films through the step-by-step(double) deposition using two different deposition methods which are pulsed laser deposition(PLD) and RF sputtering techniques. The second growth of ZnO thin films was completed by RF sputtering method on the first ZnO thin films pre-deposited by PLD method. The characteristics of ZnO thin films were analyzed by XRD, SEM and AFM systems. The FWHM of ${\omega}$-scan analysis and the minimum RMS value of surface roughness of step-by-step grown ZnO thin films were $0.79^{\circ}$ and 1.108 nm respectively. As a result, the crystallinity and the preferred orientation of the grown ZnO thin films were kept good quality and the surface roughnesses of those were improved by post-annealing process as comparison with ZnO thin film fabricated by the conventional PLD technique only. Using these proposed ZnO thin films, we demonstrated the RF device such as SAW-BPF, built by the proposed ZnO thin films, shows that it has the bandwidth of 2.98 MHz and the insertion loss of 36.5 dB at the center frequency of 260.8 MHz, respectively.
For development of the surface acoustic wave bandpass filter(SAW-BPF), we fabricated the high quality ZnO thin films through the step-by-step(double) deposition using two different deposition methods which are pulsed laser deposition(PLD) and RF sputtering techniques. The second growth of ZnO thin films was completed by RF sputtering method on the first ZnO thin films pre-deposited by PLD method. The characteristics of ZnO thin films were analyzed by XRD, SEM and AFM systems. The FWHM of ${\omega}$-scan analysis and the minimum RMS value of surface roughness of step-by-step grown ZnO thin films were $0.79^{\circ}$ and 1.108 nm respectively. As a result, the crystallinity and the preferred orientation of the grown ZnO thin films were kept good quality and the surface roughnesses of those were improved by post-annealing process as comparison with ZnO thin film fabricated by the conventional PLD technique only. Using these proposed ZnO thin films, we demonstrated the RF device such as SAW-BPF, built by the proposed ZnO thin films, shows that it has the bandwidth of 2.98 MHz and the insertion loss of 36.5 dB at the center frequency of 260.8 MHz, respectively.
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문제 정의
따라서 결정성, 배향성 및 표면거칠기 특성이 우수한 박막을 필요로 하는 압전소자 및 고주파 소자 등으로의 응용에는 다소 어려움이 있는 것으로 판단된다. 그러므로 이러한 문제점을 보완하기 위하여 두 가지 증착방법을 단계적으로 적용하고, 후열처리 공정을 추가하여 결정성, 배향성 및 표면거칠기 특성을 개선하고자 하였다.
본 연구에서는 PLD 방법으로 결정성과 배향성이 우수한 ZnO 박막을 성장시킨 후, 평탄한 표면을 갖는 에피택셜(epitaxial) 박막을 얻기 위하여 sputtering 방법으로 ZnO 박막을 이미 성장한 ZnO 박막 위에 재증착하였다. 그리고 후열처리 공정을 통하여 ZnO 분자의 재배열을 유도함과 동시에 표면거칠기도 개선하였다.
본 연구에서는 SAW-BPF 제작용 ZnO 박막의 결정성, 배향성 및 표면특성을 개선하기 위하여 PLD 방법과 sputtering 방법을 단계적으로 적용하여 박막을 성장시키고, 후열 처리 공정도 시행하였다. 그리고 각 성장 단계마다 ZnO 박막의 특성을 확인하고 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
PLD 방법과 sputtering 방법을 단계적으로 적용하여 성장된 ZnO 박막을 전기로에 넣고, 600℃에서 1 시간 동안산소분위기를 유지하면서 후열처리 공정을 시행하여 성장 박막의 표면을 구성하는 ZnO 분자의 재배열을 유도하였다. 그리고 후열처리 효과에 따른 박막의 물성 변화도 살펴보았다.
PLD 방법으로 성장된 ZnO 박막의 결정성과 배향성을 확인하기 위하여 XRD 장비를 사용하여 2θ - θ 분석과 ω-scan 분석을 시행하였다.
PLD와 Sputtering 방법의 단계적 적용에 의하여 성장된 ZnO 박막을 다시 후열처리 공정을 시행하여(600℃, 1시간 동안, 산소 분위기) ZnO 박막 표면을 구성하는 ZnO 분자의 재배열을 유도하였다. 그림 4에 후열처리된 ZnO 박막에 대한 2θ - θ 분석과 ω-scan 분석을 행한 결과를 나타내었다.
Sputtering 챔버 내에서 양질의 ZnO 박막을 증착하기 위해서 초고순도 산소와 아르곤 가스를 사용하였으며, 챔버 내 분위기는 O2 : Ar=50 : 50을 유지하였고, MFC(Mass Flow Controller)를 이용하여 유입되는 총유량을 100 sccm로 고정하였다. 표 2에는 sputtering 방법으로 ZnO 박막을 증착시킬 경우의 주요 성장 조건을 나타내었다.
그리고 IDT 전극 패턴 기반의 SAW-BPF를 리소그래피 및 식각(etching) 공정을 사용하여 ZnO 박막 위에 구현하고, 주파수 응답 특성을 측정하였다.
PLD 방법과 sputtering 방법을 단계적으로 적용하여 성장된 ZnO 박막을 전기로에 넣고, 600℃에서 1 시간 동안산소분위기를 유지하면서 후열처리 공정을 시행하여 성장 박막의 표면을 구성하는 ZnO 분자의 재배열을 유도하였다. 그리고 후열처리 효과에 따른 박막의 물성 변화도 살펴보았다.
끝으로, 표면거칠기가 개선된 양질의 ZnO 박막으로부터 SAW 필터의 특성을 측정하기 위하여 중심주파수를 260 MHz로 선택하고, 간격이 균일한 손가락형(interdigital, IDT) 전극 패턴을 설계하였다. 표 3에는 설계를 마친 IDT 전극 패턴에 대한 최적의 설계 변수값을 나타내었다.
단계적 증착으로 성장된 ZnO 박막 표면의 ZnO 분자들의 재배열을 유도하기 위하여 600℃에서 1시간 동안 산소 분위기에서 후열처리 공정을 시행하였다. 그림 9에 나타낸 바와 같이, 후열처리한 ZnO 박막의 표면 및 단면에 대한 SEM 영상만으로는 후열처리 효과에 대한 향상 여부를 명확히 단정 짓기가 어려웠다.
제작된 ZnO 타깃을 PLD 챔버 내의 타깃 홀더(holder)에 부착하고, 맞은편의 히팅 블록(heater)에는 은(Ag) 페이스트를 사용하여 사파이어(0001) 기판(10 mm×10 mm)을 부착하였다. 박막을 증착시킬 때, KrF(248 nm) Excimer Laser(COMPEX 205pro, Coherent)로부터 발진된 빔을 챔버 외부로부터 유도하여 증착 챔버 내부의 ZnO 타깃 표면에 집속되도록 빔 라인을 구성하였고, 타깃과 기판 사이의 거리는 50 mm로 고정하였다.
따라서 II～VI족 화합물 반도체 박막을 성장하는 경우에도 기판 온도는 박막의 결정 성장률, 박막의 구조적 특성 및 박막의 화학 양론적 조성비에 결정적인 영향을 주는 성장조건들이다. 본 연구에서는 c-축 사파이어(0001) 기판을 사용하고, 우선 방위 성장과 최적의 성장 온도를 결정하기 위하여 기판 온도를 300℃, 400℃, 500℃ 및 600℃(100℃ 간격)로 변화시켜 ZnO 박막을 성장시켰다. 성장된 ZnO 박막의 결정성 및 배향성 분석에는 XRD(D/max 2100H, Rigaku) 장비가 사용되었고, 성장한 박막의 표면 관찰 및 분석에는 SEM(S-2400, Hitachi) 장비가 사용되었으며, 박막의 표면 미세구조 관찰을 위해서는 AFM(SPA-400, Nitech) 시스템이 사용되었다.
본 연구에서는 c-축 사파이어(0001) 기판을 사용하고, 우선 방위 성장과 최적의 성장 온도를 결정하기 위하여 기판 온도를 300℃, 400℃, 500℃ 및 600℃(100℃ 간격)로 변화시켜 ZnO 박막을 성장시켰다. 성장된 ZnO 박막의 결정성 및 배향성 분석에는 XRD(D/max 2100H, Rigaku) 장비가 사용되었고, 성장한 박막의 표면 관찰 및 분석에는 SEM(S-2400, Hitachi) 장비가 사용되었으며, 박막의 표면 미세구조 관찰을 위해서는 AFM(SPA-400, Nitech) 시스템이 사용되었다.
그리고 후열처리 공정을 통하여 ZnO 분자의 재배열을 유도함과 동시에 표면거칠기도 개선하였다. 이와 같이 얻어진 ZnO 박막을 고주파용 소자로 응용하기 위한 가능성을 타진해 보기 위하여 SAW 필터를 제작하여 주파수 응답 특성을 측정하여 보았다.
PLD 방법으로 ZnO 박막을 성장시키고, 그 위에 sputtering 방법을 사용하여 500℃에서 ZnO 박막을 다시 증착하였다. 이처럼 단계적 성장방법을 적용하여 제조한 ZnO 박막의 특성을 XRD 장비로써 분석하였다. 그림 3의 (a), (b)는 두 가지 성장방법을 단계적으로 적용하여 성장된 ZnO 박막들을 사용하여 2θ - θ 분석과 ω-scan 분석을 시행한 결과를 나타내고 있다.
한편, 성장 온도에 따른 박막 특성을 비교하기 위하여, 기판온도를 300℃에서 600℃까지 100℃ 간격으로 온도를 변화시켜 박막 증착을 시행하였으며, 증착을 완료한 후에는 성장된 박막의 스트레스를 최소화하고, 동시에 산소결핍을 보상하기 위하여 증착할 때와 똑같은 비율의 산소분압을 유지하며, 챔버 내에서 서서히 냉각시켰다[14],[15]. 표 1에는 PLD 공정으로 ZnO 박막을 증착시키기 위한 주요 성장조건을 나타내었다.
대상 데이터
고순도의 ZnO(99.99 %, Aldrich Chemical Company, U.S.A.) 분말을 사용하여, 직경 2.53 cm, 두께 0.4 cm, 질량 9 g의 세라믹 펠릿(pellet)을 제조하여 4시간 동안 1,200℃의 소결용 전기로에서 증착용 타깃을 제작하였다. 제작된 ZnO 타깃을 PLD 챔버 내의 타깃 홀더(holder)에 부착하고, 맞은편의 히팅 블록(heater)에는 은(Ag) 페이스트를 사용하여 사파이어(0001) 기판(10 mm×10 mm)을 부착하였다.
제작된 ZnO 타깃을 PLD 챔버 내의 타깃 홀더(holder)에 부착하고, 맞은편의 히팅 블록(heater)에는 은(Ag) 페이스트를 사용하여 사파이어(0001) 기판(10 mm×10 mm)을 부착하였다.
이론/모형
7. SEM images of the ZnO thin films grown by the complex(PLD+sputtering) method.
3. XRD data of the ZnO thin film grown by the complex(PLD+sputtering) method.
2. XRD data of the ZnO thin films grown by the PLD method.
성능/효과
(a)는 사파이어(0001) 기판 위에 성장한 ZnO 박막의 2θ - θ 분석 결과를 나타낸 것으로써 4가지 기판 온도에서 성장된 ZnO 박막 모두가 34.40°에서 (0002) 회절 피크(diffraction peak)을 가지며, 500℃ 이상에서 성장된 박막들이 비교적 우수한 결정성을 보여주었다.
(b)에서 알 수 있는 바와 같이, 2θ - θ 피크와 ω-scan의 반치폭 값들이 PLD 방법만으로 증착한 ZnO 박막의 분석 결과와 유사한 값을 보임에 따라, 두 가지 증착방법의 단계적 적용을 통해 성장된 ZnO 박막은 PLD 방법으로 증착된 ZnO 박막의 구조적 특성에 강하게 의존하면서 성장됨을 확인할 수 있었다.
그림 8은 기판온도 500℃에서 PLD 방법으로 성장된 ZnO 박막 위에 스퍼터링 방법으로 500℃에서 다시 성장시킨 ZnO 박막에 대한 AFM 영상과 표면거칠기의 RMS 값을 나타낸 결과이다. AFM 분석 결과, 두 가지 증착방법의 단계적 적용으로 성장된 ZnO 박막의 표면거칠기(RMS값=1.921 nm)가 PLD 방법으로만 성장시킨 ZnO 박막(RMS값=17.220 nm)의 경우보다 한층 개선되었음을 알 수 있었다.
PLD 방법으로 ZnO 박막을 성장한 결과, 성장온도가 높아질수록 ZnO 박막의 결정성과 배향성은 양호해지는 것을 SEM 분석과 XRD 측정으로 확인하였다, 그리고 PLD 방법으로만 성장된 ZnO 박막의 경우는 표면거칠기가 17.220 nm로 표면이 다소 거칠었다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여, 두 가지(PLD+RF Sputtering) 단계적 증착 방법을 적용하여 ZnO 박막을 성장한 결과, 결정성과 배향성은 그대로 유지되면서 표면거칠기는 17.
그림 7은 두 가지 증착방법의 단계적 적용으로 성장된 ZnO 박막의 표면과 단면에 대한 SEM 영상들이다. ZnO 박막의 표면 및 절단면 형상을 관찰해 본 결과, 그림 7의 박막들은 PLD 방법으로 성장된 박막의 구조 특성을 기반으로 성장이 진행되었고, 주상 구조 성장도 뚜렷하게 잘 나타나 있음을 알 수 있다.
5 dB의 전형적인 BPF 특성을 나타내는 결과를 얻었다. 결론적으로, 높은 결정성, 양호한 배향성 그리고 낮은 표면거칠기를 보유한 ZnO 박막은 고주파용 SAW-BPF 등과 같은 압전소자 개발용으로 응용될 수 있음을 확인하였다.
그러나 ω-scan 분석으로 얻은 반치폭(FWHM) 값을 비교한 결과, 열처리를 시행한 박막의 반치폭값은 0.79°로 한층 개선된 특성을 나타내었다.
그림 2(b)는 사파이어(0001) 기판 위에 PLD 방법으로 성장한 4종류의 ZnO 박막에 대해 ω-scan 분석으로 얻어진 반치폭(FWHM) 값을 나타내었다. 기판 온도가 600℃에 접근할수록 로킹 곡선(rocking curve)의 반치폭 값이 감소하였으며, 기판 온도가 600℃일 경우에 가장 좋은 배향성을 보여주었다. 그러나 기판 온도를 600℃ 이상의 고온에서 ZnO 박막을 성장하게 되면 재증발(re-evaporation) 효과 때문에 성장된 박막의 질이 떨어지게 된다[16].
921 nm로 한층 개선되는 효과를 얻었다. 또한, 박막 표면의 평탄도를 향상시키기 위하여 후열처리 공정을 시행한 결과, 표면거칠기가 1.108 nm로 보다 개선되는 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구에서 제작된 SAW-BPF의 특성 측정 결과, 중심 주파수는 260.82 MHz, 대역폭은 약 2.98 MHz이지만, 삽입손실이 36.5 dB로 다소 큰 편이었다. 따라서 ZnO 박막 성장과 SAW 필터의 설계제작에서 보다 정교한 박막 성장과 다양한 성장변수의 고찰 그리고 소자 제작 공정에 대한 세심한 검토가 필요한 것으로 사료된다.
220 nm로 표면이 다소 거칠었다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여, 두 가지(PLD+RF Sputtering) 단계적 증착 방법을 적용하여 ZnO 박막을 성장한 결과, 결정성과 배향성은 그대로 유지되면서 표면거칠기는 17.220 nm에서 1.921 nm로 한층 개선되는 효과를 얻었다. 또한, 박막 표면의 평탄도를 향상시키기 위하여 후열처리 공정을 시행한 결과, 표면거칠기가 1.
표면거칠기가 향상된 ZnO 박막을 사용하여 SAW-BPF를 제작하여 주파수 응답 특성을 측정한 결과, 중심주파수 260.82 MHz, 대역폭 2.98 MHz, 삽입손실 36.5 dB의 전형적인 BPF 특성을 나타내는 결과를 얻었다. 결론적으로, 높은 결정성, 양호한 배향성 그리고 낮은 표면거칠기를 보유한 ZnO 박막은 고주파용 SAW-BPF 등과 같은 압전소자 개발용으로 응용될 수 있음을 확인하였다.
후속연구
5 dB로 다소 큰 편이었다. 따라서 ZnO 박막 성장과 SAW 필터의 설계제작에서 보다 정교한 박막 성장과 다양한 성장변수의 고찰 그리고 소자 제작 공정에 대한 세심한 검토가 필요한 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
ZnO 박막을 이용하여 SAW 소자를 제작할 경우 발생하는 무제점은?
한편, ZnO 박막을 이용하여 SAW 소자를 제작할 경우, 성장된 박막에서 불균질성이 나타나면 제작된 소자의 중심주파수가 천이되고(shift), 삽입손실(insertion loss)이 커진다는 문제점들이 발생한다. 이러한 문제점들을 극복하기 위해서는 c-축 우선 배향성(preferred orientation), 박막 균질성 그리고 높은 비저항성 등을 보유하는 양질의 ZnO 박막 성장에 대한 연구가 필요하다[6].
산화아연의 장점은?
산화물 반도체인 산화아연(ZnO)은 우수한 전기적, 광학적 및 탄성적 특성을 가지고 있기 때문에, 소재 및 소자를 이용하는 여러 분야에서 큰 관심을 끌고 있다. ZnO는 II-VI족 화합물 반도체이며 상온에서 에너지 밴드갭(ener- gy bandgap)이 3.
산화아연은 어느 분야에서 활용되고 있는가?
ZnO는 II-VI족 화합물 반도체이며 상온에서 에너지 밴드갭(ener- gy bandgap)이 3.37 eV인 직접천이형 소재로서 투명전극 (transparent electrodes), 가스 센서(gas sensors), 태양전지 (solar cells), 발광 소재(luminescence materials), 레이저 다이오드(laser diodes) 및 LED(Light Emitting Diodes)를 연구개발하는 분야에서 폭넓게 활용되고 있다[1]~[4].
참고문헌 (16)
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