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문제 정의
- 본 연구에서는 RF 마그네트론 스퍼터링 증착법으로 유리, 석영 기판에 기판온도를 변화시켜 박막을 제작한 후 그에 따른 구조 및 광학적 특성에 대한 조사를 하였다. XRD 측정을 통해 두 기판 모두 비정질 구조가 나타나다가 300°C, 200°C에서 유리, 석영기판에서 결정화가 시작되었다.
- 이에 본 연구에서는 디스플레이 소자와 산화물 박막 트랜지스터에 응용하기 위해 RF 마그네트론 스퍼터링법(radio frequency magnetron sputtering)으로 유리와 석영 기판 위에 다양한 기판온도로 증착한 ITZO 박막의 구조적, 그리고 광학적 특성을 비교, 분석하였다.
제안 방법
- 화학적 구성 성분은 X-선 분광 분석기를(EDAX; HORIBA; 7593-H) 이용하였다. 광학적 특징은 자외선-가시광 분광계(UV-visible transmission spectra; SHIMADZU; UV-1800)을 사용하여 파장 300 nm에서 1100 nm의 영역까지 관측하였고, 이 측정 결과를 사용하여 광학적 밴드 갭을 계산하였다.
- 투과도 결과값에서 나타나듯이 투명전극으로 기판 및 기판온도 변수가 적지 않은 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 박막의 광학적 특성을 분석하기 위하여 EDAX 분석을 수행하였다.
- 증착된 ITZO 박막의 결정 구조를 확인하기 위하여 파장 0.154 nm를 갖는 Cu-Kα 복사선을 사용하여 X-선 회절법(X-ray-diffraction; XRD; BRUKER; D8 ADVANCE)으로 조사하였으며, 박막의 표면 형태는 주사전자현미경(field emission scanning electron microscopy; HITACHI; S-4800)을 사용하여 관측하였다.
- 기판온도는 100℃에서부터 200℃, 300℃, 400℃로 각각 변화시켰다. 타겟 표면에 불순물을 제거하기 위해 30분 동안 예비 스퍼터링을 한 후에 본 증착을 수행하였다. 증착된 ITZO 박막의 결정 구조를 확인하기 위하여 파장 0.
대상 데이터
- ITZO 타겟은 In2O3, SnO2 그리고 ZnO을 화학량론적 1:1:1 몰 비로 합성하였다. 초기 물질을 측정하여 에탄올, ZrO 2 볼과 함께 넣고 밀봉한 다음에 300 rpm의 속도로 24시간 동안 볼밀(ball mill) 작업을 수행하였다.
- 기판으로는 두께가 0.5 mm이고, 넓이가 10 mm × 10 mm 코닝 유리(corning E2000), 석영(quartz plate)를 사용하였으며, 표면의 잔류 먼지와 유기물을 제거하기 위하여 아세톤, 메탄올, 증류수의 순서로 각각 15분 동안 초음파 세척을 실시하였으며, 질소 가스를 이용하여 표면의 습기를 제거하였다.
- 154 nm를 갖는 Cu-Kα 복사선을 사용하여 X-선 회절법(X-ray-diffraction; XRD; BRUKER; D8 ADVANCE)으로 조사하였으며, 박막의 표면 형태는 주사전자현미경(field emission scanning electron microscopy; HITACHI; S-4800)을 사용하여 관측하였다. 화학적 구성 성분은 X-선 분광 분석기를(EDAX; HORIBA; 7593-H) 이용하였다. 광학적 특징은 자외선-가시광 분광계(UV-visible transmission spectra; SHIMADZU; UV-1800)을 사용하여 파장 300 nm에서 1100 nm의 영역까지 관측하였고, 이 측정 결과를 사용하여 광학적 밴드 갭을 계산하였다.
이론/모형
- ITZO 박막은 RF 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 유리와 석영 기판에 증착온도를 변화시키면서 성장시켰다. 챔버의 초기 진공도는 4 × 10−6 torr 이하로 배기하였고 스퍼터링 가스는 Ar를 사용하였다.
- 기판온도 변화에 따른 결정립의 크기를 관찰하기 위하여 XRD 측정 결과를 사용하여 Scherrer 식 (1)에 의해 박막의 결정립 크기를 계산하였다17).
성능/효과
- (a) 유리의 경우 온도가 100°C, 200°C, 300°C, 400°C 증가함에 따라 평균 투과율은 76%, 78%, 76%, 74%으로 나타났으며 200°C 에서 가장 높은 투과율이 나타났다.
- (b) 석영의 경우는 온도가 증가함에 따라 평균 투과율은 74%, 78%, 77%, 73%로 측정됐고 200°C에서 가장 높은 투과율이 나타났다.
- (b)석영의 경우 200 °C 의 증착온도에서 결정화가 진행 되었고 2θ = 약 30.5°, 35.5°, 51.2°, 61°에서 (222), (400), (240), (622)면이 나타났다.
- XRD 측정을 통해 두 기판 모두 비정질 구조가 나타나다가 300°C, 200°C에서 유리, 석영기판에서 결정화가 시작되었다. FE-SEM를 통 해 박막 표면을 관찰 결과 두 기판 모두 부드러운 표면을 가졌다. 광학적 특성을 측정한 결과 유리와 석영 모두 가시광선 영역에서 200°C 일때 각각 82%, 80%로 나타났다.
- 두 기판 모두 온도에 따라 증착 된 시편의 표면은 매우 작은 결정 입자가 연속적으로 분포되어 있었으며 결정화가 시작되는 온도에서 차이가 있었지만 기판온도가 100 °C 에서 400 °C로 증가함에 따라 결정크기는 증가하였으며, 균일하고 치밀한 표면 구조를 형성하여 기판온도 증가에 따른 결정성 향상을 보여준다. XRD 회절패턴으로 결정입도의 크기와 비교 분석한 결과, 크기는 다소 차이가 있었으나 온도 변화에 따른 경향성은 동일하였다. 식 (1)을 통해 얻은 결정립 크기와 FESEM 측정에 의한 비교 결과는 표 1에 표기하였다.
- indium이 가장 낮은 부분에서 투과도는 가장 좋게 나타났고, indium이 높게 나타날수록 200°C 이후 우선성장 되는 방향과 결정성이 좋아지는 현상과 동일하게 나타났다.
- 가시광선 영역 (400 ~ 800 nm)에서는 유리, 석영 모두 200°C에서 각각 82%, 80%로 가장 좋은 평균 투과율이 나타났고 유리가 석영에 비해 좋은 투과도가 관측되었다.
- 광학적 특성을 측정한 결과 유리와 석영 모두 가시광선 영역에서 200°C 일때 각각 82%, 80%로 나타났다.
- 가시광선 영역 (400 ~ 800 nm)에서는 유리, 석영 모두 200°C에서 각각 82%, 80%로 가장 좋은 평균 투과율이 나타났고 유리가 석영에 비해 좋은 투과도가 관측되었다. 그리고 두 기판에서 온도에 상승에 따라 광 투과율은 증가하다가 어느 지점에 도달하면 투과율은감소하는 경향을 보였다. 투과도 결과값에서 나타나듯이 투명전극으로 기판 및 기판온도 변수가 적지 않은 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
- 기판온도 상승에 따라 결정화가 진행된 시편의 반치폭 값은 감소하는 경향을 나타내었고, 기판온도 증가에 따라 결정화가 시작되는 ITZO 박막의 평균 결정입도의 크기는 유리의 경우 300 °C (15.3 nm), 400℃ (19.6 nm), 석영의 경우 200℃ (14.0 nm), 300℃ (16.3 nm), 400 °C (18.6 nm)로 결정 크기 또한 증가함을 알 수 있었고 XRD 회절 패턴의 결과와도 일치하였다.
- 두 기판 모두 온도에 따라 증착 된 시편의 표면은 매우 작은 결정 입자가 연속적으로 분포되어 있었으며 결정화가 시작되는 온도에서 차이가 있었지만 기판온도가 100 °C 에서 400 °C로 증가함에 따라 결정크기는 증가하였으며, 균일하고 치밀한 표면 구조를 형성하여 기판온도 증가에 따른 결정성 향상을 보여준다.
- 그리고 이러한 결과로 광학적 밴드캡의 결과를 얻을 수 있었다. 본 연구를 통해 ITZO 박막 제작에 있어서 기판 및 온도가 박막의 구조 및 광학적 특성에 영향을 미치는 중요한 변수임을 확인하였다.
- 유리에서는 200 °C 에서 비정질이 형성 되어 ITO의 결정화가 시작되는 온도인 150 ~ 200 °C 에서 결정화가 되지 않았고 석영기판에서는 온도가 증가 할수록 ITO의 결정화 온도와 우선성장 방향성이 비슷하게 나타났다.
- 그리고 두 기판에서 온도에 상승에 따라 광 투과율은 증가하다가 어느 지점에 도달하면 투과율은감소하는 경향을 보였다. 투과도 결과값에서 나타나듯이 투명전극으로 기판 및 기판온도 변수가 적지 않은 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 박막의 광학적 특성을 분석하기 위하여 EDAX 분석을 수행하였다.
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