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문제 정의
- 그러나 전기적, 광학적 특성은 산소 분압에 따른 반응성 증착의 영향으로 설명된다. SnO/Sn 혼합 타겟으로 제조된 p-type SnO 박막의 전기적 특성은 4주 후 측정 시에도 변화가 없었으며 안정적인 신뢰성 확보를 위해 시간에 따른 영향을 측정하려고 한다.
- 14-15) 이에 안정된 박막 조성을 가지는 SnO 박막을 유지하면서도 tin과 산소의 반응성 스퍼터링을 통해 donor 또는 acceptor 결함을 조절할 수 있는 장점을 가진 혼합타겟을 착안하였다. 본 연구에서는 혼합 타겟을 이용한 RF 스퍼터링 방법으로 SnO 박막을 제조하였으며, 공정 조건에 따른 박막의 전기적, 구조적, 광학적 특성을 살펴보았다. 기판 온도, 공정 압력, 플라즈마 파워를 고정한 조건에서 산소 분압을 조절하여 산소 분압의 영향을 고찰하였으며, 박막의 구조적, 전기적, 광학적 특성을 분석하였다.
제안 방법
- 12-13) 스퍼터링 증착에 사용되는 타겟은 크게 반응하는 가스 종류에 따라 다양한 박막 조성과 특성을 구현할 수 있으나 조절이 어려운 금속 타겟과 박막의 화학조성이 안정되나 결함을 조절하기 어려운 산화물 타겟으로 나뉜다.14-15) 이에 안정된 박막 조성을 가지는 SnO 박막을 유지하면서도 tin과 산소의 반응성 스퍼터링을 통해 donor 또는 acceptor 결함을 조절할 수 있는 장점을 가진 혼합타겟을 착안하였다. 본 연구에서는 혼합 타겟을 이용한 RF 스퍼터링 방법으로 SnO 박막을 제조하였으며, 공정 조건에 따른 박막의 전기적, 구조적, 광학적 특성을 살펴보았다.
- 본 실험에서는 산화주석(SnO) 박막 두께를 약 2000 Å으로 증착하였고 공정 압력은 5 mTorr, 기판 온도 100 ℃, 그리고 RF power를 50 W 고정하여 실험을 진행하였다. 공정변수로는 산소 분압을 0, 3, 4.5, 6, 9 %로 조절하여 샘플마다 다른 화학 조성을 가지는 5개 산화주석 박막을 제조하였다. Table 1 은 실험 샘플 별 공정 변수를 보여준다.
- 3 XRD 자료에서 Sn2+가 결합된 SnO peak 이 지배적으로 나타난 분석과 일치한다. 그리고 원소간 결합상태를 이해하기 위해서 peak deconvolution 법으로 XPS peak분석을 추가 진행하였다. 산소 분압 3 % 박막 샘플을 가지고 박막의 O1s1/2 초기 표면과 그 표면을 90 초 동안 식각한 O1s1/2 표면 각각을 deconvolution한 데이터를 Fig.
- 본 연구에서는 혼합 타겟을 이용한 RF 스퍼터링 방법으로 SnO 박막을 제조하였으며, 공정 조건에 따른 박막의 전기적, 구조적, 광학적 특성을 살펴보았다. 기판 온도, 공정 압력, 플라즈마 파워를 고정한 조건에서 산소 분압을 조절하여 산소 분압의 영향을 고찰하였으며, 박막의 구조적, 전기적, 광학적 특성을 분석하였다.
- 전기적 특성 분석은 홀 효과 측정 시스템(Hall effect measure ment system, HMS-3000)을 통해 캐리어 농도(carrier concentration), 이동도(mobility), 그리고 전기전도도(electrical conductivity)를 측정하였다. 또한, UV-Vis 분광계(UV/Vis Spectrometer, Lamda35)를 이용하고 시편의 투과도와 광학적 밴드갭을 계산하였다.
- 본 연구는 SnO/Sn(9 : 1 at%) 혼합 타겟과 RF 반응성 스퍼터링 증착법을 이용하여 산화주석박막을 제조하였으며 구조적, 전기적, 광학적 박막 특성을 조사하였다. 산소분압 3 % 박막의 경우 SnO 박막 조성을 가졌으며, 80 %이상의 투과도와 1.
- 산화주석 박막의 구조적 분석을 위해서 X선 회절계(X-ray diffractometer, X'pert PRO MRD)을 이용해 박막 결정구조를 확인하였고 원소의 구성비와 원소 간 화학결합 상태를 분석하기 위해서 광전자분광분석기(Angle-Resolved X-ray Photoelectron Spectrometer, Theta Probe AR-XPS System)를 사용해 depth profile 분석하였다.
- 그리고 박막의 미세구조를 확인하기 위해서 전계방출주사현미경(field emission scanning electron microscope, JSM-6700F)을 사용하였다. 전기적 특성 분석은 홀 효과 측정 시스템(Hall effect measure ment system, HMS-3000)을 통해 캐리어 농도(carrier concentration), 이동도(mobility), 그리고 전기전도도(electrical conductivity)를 측정하였다. 또한, UV-Vis 분광계(UV/Vis Spectrometer, Lamda35)를 이용하고 시편의 투과도와 광학적 밴드갭을 계산하였다.
대상 데이터
- 7에 도식화하였다. 박막은 200 nm 두께로 네 모서리에 tin 전극을 증착하고 Hall 측정을 진행하였다. 산소 분압 0 % 박막은 높은 비저항으로 인해 사용한 장비로 측정할 수 없었다.
- 본 실험에서는 산화주석(SnO) 박막 두께를 약 2000 Å으로 증착하였고 공정 압력은 5 mTorr, 기판 온도 100 ℃, 그리고 RF power를 50 W 고정하여 실험을 진행하였다.
- 실험에 쓰인 기판은 2 cm × 2 cm 크기의 붕규산 유리이며 SnO/Sn 혼합(9 : 1 at%) 타겟을 사용하였다.
이론/모형
- Fig. 8은 광학적 특성 분석을 나타낸 것으로 200~900 nm 파장영역에서 투과도를 측정하였고, 투과도 측정 결과값으로 구한 흡광계수(α)와 아래 공식 (1)을 이용한 Tauc plot24) 방법으로 박막의 광학 밴드갭(optical bandgap)을 계산하였다.
- 산화주석 박막의 구조적 분석을 위해서 X선 회절계(X-ray diffractometer, X'pert PRO MRD)을 이용해 박막 결정구조를 확인하였고 원소의 구성비와 원소 간 화학결합 상태를 분석하기 위해서 광전자분광분석기(Angle-Resolved X-ray Photoelectron Spectrometer, Theta Probe AR-XPS System)를 사용해 depth profile 분석하였다. 그리고 박막의 미세구조를 확인하기 위해서 전계방출주사현미경(field emission scanning electron microscope, JSM-6700F)을 사용하였다. 전기적 특성 분석은 홀 효과 측정 시스템(Hall effect measure ment system, HMS-3000)을 통해 캐리어 농도(carrier concentration), 이동도(mobility), 그리고 전기전도도(electrical conductivity)를 측정하였다.
- 실험에 쓰인 기판은 2 cm × 2 cm 크기의 붕규산 유리이며 SnO/Sn 혼합(9 : 1 at%) 타겟을 사용하였다. 녹는점이 낮은 금속 tin (231.9 ℃) 특성을 고려하여 타겟 제작 시 낮은 온도에서 HP(Hot Pressing)법을 이용하여 제작하였다. 제작된 타겟은 XRD 분석을 추가로 진행하여 조성을 확인하였고 불순물 유입이 없는 타겟임을 확인하였다.
성능/효과
- 0~6 %의 산소분압 샘플들의 결정입도와 면간거리는 각각 228 Å과 2.91 Å이었으며, 산소분압에 따른 SnO 결정구조에는 큰 변화가 없음을 확인하였다.
- 이를 통해, O1s1/2 초기 표면에는 OH− 기와 결합된 chemisorbed peak의 존재를 확인할 수 있었고, 90초간 식각을 진행한 O1s1/2 표면에는 oxygen이 격자구조에서 결여된 상태의 peak(middle peak)과 tin과 결합하는 O22− peak(low peak)만이 존재함을 확인할 수 있었다.19) 위와 같이, XRD와 XPS분석을 통해서 제조된 샘플들이 SnO 결정구조를 가지는 박막임을 확인하였고 외부에 노출된 표면조성에 비해 내부 박막은 균일한 SnO 조성으로 이루어져 있었다.
- 09 Ω−1cm−1의 특성을 가지는 p-type 반도체 특성을 나타냈으며, 이는 기존 산화주석 박막의 전기적 특성과 비교할만 하다.6,20-23) 산소 분압 6%에서는 다소 불안정한 n-type 특성을 보였고, 9 % 에서는 정확한 n-type 반도체 특성을 보였다. 산소 분압 3%이상 6%이하 구간은 전기적 특성이 p-type에서 n-type으로 변하는 conductivity transition region으로 판단된다.
- SnO 결정구조를 가지는 박막은 일반적으로 p-type 반도체 특성을 가진다. Fig. 4에 나타난 것처럼 본 실험에서 제작된 박막은 모두 SnO 결정구조를 가지는 것으로 분석되었다. 이는 SnO가 90 %인 타겟을 사용했기 때문으로 사료된다.
- 5(a)를 보면 산소분압 0 % 샘플의 경우만 금속 tin peak을 관찰할 수 있었다. Sn3d spectra에서 모든 박막의 표면에는 공기 중 산소의 영향으로 Sn4+가 존재하나, 박막 내부는 Sn2+로 분명히 존재함을 확인할 수 있다. Sn2+ peak은 산소 분압이 증가할수록 binding energy가 약 0.
- 더불어 O1s spectra에서 금속 tin과 oxygen 결합 상태를 확인할 수 있듯이, 내부 박막은 Sn2+와 O2−가 결합된 SnO 조성을 가지는 것을 알 수 있다.
- 산소 분압 3 % 박막은 캐리어농도 1.12 × 1018 cm−3, 이동도 1.18 cm2V−1s−1, 전기전도도 0.09 Ω−1cm−1의 특성을 가지는 p-type 반도체 특성을 나타냈으며, 이는 기존 산화주석 박막의 전기적 특성과 비교할만 하다.
- 이는 SnO가 90 %인 타겟을 사용했기 때문으로 사료된다. 산소분압 3 %의 경우 p-type 전기적 특성을 보이는 것은 구조적 분석 데이터와 잘 일치하였으나, 산소분압 3 % 이상인 박막의 경우 SnO 결정구조를 유지하면서 n-type 전기적 특성을 보이는 것으로 나타났다. 이는 혼합 타겟 내 10 %인 Sn이 산소 반응성 스퍼터링(oxygen reactive sputtering)에 의한 defect들을 만들었기 때문으로 판단된다.
- 4~6은 XPS depth profile 분석에 따른 원소 구성비, 원소 간 결합상태, peak deconvolution 데이터를 도식화하였다. 우선, Fig. 4을 통해 박막의 원소 구성비를 확인할 수 있는데, 산소분압 0%인 샘플을 제외한 나머지 샘플들은 tin과 oxygen 비가 1:1.01~1:1.08 로 나타났으며 SnO 구성비를 가지고 있음을 확인하였다. 산소분압 0 % 샘플의 경우, SnO:Sn타겟 조성이 9 : 1 at% 임을 감안했을 때, tin의 양이 더 많은 SnO0.
- 이를 통해, O1s1/2 초기 표면에는 OH− 기와 결합된 chemisorbed peak의 존재를 확인할 수 있었고, 90초간 식각을 진행한 O1s1/2 표면에는 oxygen이 격자구조에서 결여된 상태의 peak(middle peak)과 tin과 결합하는 O22− peak(low peak)만이 존재함을 확인할 수 있었다.
- 9 ℃) 특성을 고려하여 타겟 제작 시 낮은 온도에서 HP(Hot Pressing)법을 이용하여 제작하였다. 제작된 타겟은 XRD 분석을 추가로 진행하여 조성을 확인하였고 불순물 유입이 없는 타겟임을 확인하였다. 본 실험에서는 산화주석(SnO) 박막 두께를 약 2000 Å으로 증착하였고 공정 압력은 5 mTorr, 기판 온도 100 ℃, 그리고 RF power를 50 W 고정하여 실험을 진행하였다.
후속연구
- 이는 Sn-O 의 chemical state가 다소 Sn4+ 방향으로 변화하고 있음을 설명하고 있다. 산소분압 9%의 경우 XRD 분석에서 비정질로 나타났기 때문에 열처리 후 분석이 필요할 것으로 판단된다. 더불어 O1s spectra에서 금속 tin과 oxygen 결합 상태를 확인할 수 있듯이, 내부 박막은 Sn2+와 O2−가 결합된 SnO 조성을 가지는 것을 알 수 있다.
- 산소분압이 높을수록 p-type에서 n-type 반도체 특성으로 변했으며, 이는 첨가된 금속 tin과 oxygen의 반응에 의한 donor형 결함 농도를 증가시키는 것으로 설명된다. 추후, 열처리된 박막 분석과 다른 조성을 가진 혼합 타겟으로 연구를 진행할 계획이다.
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