[논문]증착 후 진공열처리에 따른 SnO2 박막의 특성 변화

송영환; 문현주; 김대일

doi:10.12656/jksht.2016.29.4.163

증착 후 진공열처리에 따른 SnO2 박막의 특성 변화
Influence of Post-depsotion Vacuum Annealing on the Properties of SnO2 Thin Films 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.29 no.4, 2016년, pp.163 - 167

송영환 (울산대학교 첨단소재공학부) , 문현주 (울산대학교 첨단소재공학부) , 김대일 (울산대학교 첨단소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

$SnO_2$ thin films were prepared by radio frequency magnetron sputtering on glass substrates and then vacuum annealed for 30 minutes at 100, 200, and $300^{\circ}C$, respectively. The thickness of films kept at 100 nm by controlling the deposition rate. While the optical transmittance and electrical resistivity of as deposited $SnO_2$ films were 82.6% in the visible wavelength region and $1.9{\times}10^{-3}{\Omega}cm$, respectively, the films annealed at $200^{\circ}C$ show the increased optical transmittance of 84.5% and the electrical resistivity also decreased as low as $8.5{\times}10^{-4}{\Omega}cm$. From the observed results, it is concluded that post-deposition vacuum annealing at $200^{\circ}C$ is an attractive condition to optimize the opto-elecrtical properties of $SnO_2$ thin films for the opto-electrical applications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 RF 마그네트론 스퍼터를 이용하여 100 nm 두께의 SnO₂ 박막을 유리기판에 증착하고 100, 200, 300^oC에서 30분간 진공열처리를 하여 열처리에 따른 박막의 전기적, 광학적 특성 변화를 연구하였다. 300^oC 열처리조건에서 SnO₂ 박막의 결정화가 확인되었다.
본 연구에서는 RF 마그네트론 스퍼터를 이용하여 유리기판√위에 두께 100 nm의 SnO2 박막을 증착하고, 전기적, 광학적 특성을 최적화하기 위하여 증착 후 진공열처리를 실시하였다.

제안 방법

Fig. 1의 회절피크 반가폭(Full width at half maximum)과 Scherrer 관계식 (1)으로 박막의 결정립 크기(D)를 측정하였다[10].
0 × 10⁻³ Torr)에서 실시하였다. 가시광 투과도(300-800 nm)는 자외선-가시광 분광기(Cary 100 Cone, Varian, 한국기초과학지원연구원, KBSI 부산센터)로 측정하였으며, 흡수계수를 이용하여 광학적 밴드-갭(Optical band gap, Eg)을 계측하였다.
본 연구에서는 증착율 조절이 용이하고 균일한 두께를 확보할 수 있는 RF 마그네트론 스퍼터를 이용하였다. SnO₂(Purity; 99.
증착 후 열처리는 유리기판의 변형이 발생하지 않는 100, 200, 300oC에서 30분간 진공열처리로(1.0 × 10−3 Torr)에서 실시하였다.
박막을 증착하고, 전기적, 광학적 특성을 최적화하기 위하여 증착 후 진공열처리를 실시하였다. 진공열처리 온도를 달리하면서 열처리온도에 따른 박막의 구조적, 전기적,광학적 특성을 X선 회절분석기(X-ray diffraction,XRD), 원자간력현미경(Atomic force microscopy,AFM), 자외선-가시광 분광기(UV-Visible spectrophotometer)를 이용하여 분석하였으며, Figure of merit 수치를 통하여 열처리 온도에 따른 박막의 전기광학적 완성도를 고찰하였다.

대상 데이터

SnO2(Purity; 99.99.%) 3인치 타겟으로 두께 100 nm의 박막을 유리기판(Corning 1797, 면적 20 × 20 mm2)에 증착하고 박막의 두께는 표면조도측정기(Dektak-150, Varian)를 이용하여 측정하였다.

이론/모형

열처리에 따른 박막의 결정화는 X선 회절분석기(Cu-kα, λ=0.15406 nm, X’pert pro MRD, philips,KBSI 대구센터)로 측정하였으며, 전기적 특성은 Van der pauw법을 적용한 Hall Effect 측정 장치(HMS-3000, Ecopia)를 이용하여 분석하였고, 표면의 Root Mean Square (RMS)거칠기(측정영역; 2 × 2 μm2)는 원자간력현미경 (XE-100 Park System)으로 분석하였다.

성능/효과

087eV이었고, 열처리 온도에 따라 비례하며 증가함을 보였다. Fig. 4에서 열처리에 의해 전하밀도가 증가하면서 전도대의 낮은 에너지준위가 전자로 채워지는 Burstein-Moss 효과[14]에 의하여 광학적 밴드 갭이 증가하였으며, Table 3과 같이 전하밀도가 상대적으로 높은 200^oC에서 열처리된 박막에서 4.156eV의 밴드-갭이 측정되어 전하밀도와 광학적 밴드갭이 서로 비례관계임을 알 수 있었다.
또한 SnO2 박막의 전기적, 광학적 물성을 비교하는 FOM 수치 비교에서, 상온에서 증착된 박막의FOM 수치는 7.5 × 10−4 Ω−1이었으나, 200oC 열처리 이후에 측정한 FOM 수치는 결정화에 따른 가시광투과도 증가로 인하여 최대 2.1 × 10−3 Ω−1로 증가함을 보였다.
1 × 10⁻³ Ω⁻¹로 증가함을 보였다. 본 연구의 분석 및 측정결과로부터 적정온도 200^oC 진공열처리 공정이 SnO₂ 박막의 전기적, 광학적 물성 최적화에 유효함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	투명전도성 산화물박막은 어디에 활용되고있는가?	In2O3를 근간으로 하는 투명전도성 산화물박막(Transparent Conductive Oxide; TCO)은 낮은 전기비저항과 높은 가시광 투과율로 인하여 현재 다양한 표시소자(display device)와 태양전지 등의 투명전극 재료로 활용되고 있다[1]. 특히 미량의 Sn이 첨가된 In2O3(ITO) 박막은 80% 이상의 높은 가시광 투과율과 낮은 비저항(<1 × 10−3 Ωcm)을 동시에 갖기 때문에 대표적인 TCO 소재로 인정받았으나,근래의 인듐(In) 희소성에 따른 가격상승과 화학적 불안전성으로 인하여 ZnO[2], SnO2[3] 등의 대체 투명전극에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
	RF 마그네트론 스퍼터를 이용하여 100 nm 두께의 SnO2 박막을 유리기판에 증착하고 100, 200, 300oC에서 30분간 진공열처리를 하여 열처리에 따른 박막의 전기적, 광학적 특성 변화를 연구한 결과는?	본 연구에서는 RF 마그네트론 스퍼터를 이용하여 100 nm 두께의 SnO2 박막을 유리기판에 증착하고 100, 200, 300oC에서 30분간 진공열처리를 하여 열처리에 따른 박막의 전기적, 광학적 특성 변화를 연구하였다. 300oC 열처리조건에서 SnO2 박막의 결정화가 확인되었다. 또한 SnO2 박막의 전기적, 광학적 물성을 비교하는 FOM 수치 비교에서, 상온에서 증착된 박막의FOM 수치는 7.5 × 10−4 Ω−1이었으나, 200oC 열처리 이후에 측정한 FOM 수치는 결정화에 따른 가시광투과도 증가로 인하여 최대 2.1 × 10−3 Ω−1로 증가함을 보였다. 본 연구의 분석 및 측정결과로부터 적정온도 200oC 진공열처리 공정이 SnO2 박막의 전기적, 광학적 물성 최적화에 유효함을 알 수 있었다.
	미량의 Sn이 첨가된 In2O3(ITO) 박막은 어떤 특성으로 인해 TCO 소재로 인정받았는가?	In2O3를 근간으로 하는 투명전도성 산화물박막(Transparent Conductive Oxide; TCO)은 낮은 전기비저항과 높은 가시광 투과율로 인하여 현재 다양한 표시소자(display device)와 태양전지 등의 투명전극 재료로 활용되고 있다[1]. 특히 미량의 Sn이 첨가된 In2O3(ITO) 박막은 80% 이상의 높은 가시광 투과율과 낮은 비저항(<1 × 10−3 Ωcm)을 동시에 갖기 때문에 대표적인 TCO 소재로 인정받았으나,근래의 인듐(In) 희소성에 따른 가격상승과 화학적 불안전성으로 인하여 ZnO[2], SnO2[3] 등의 대체 투명전극에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이중, SnO2 박막은 기존에는 저방사(low-emissivity) 유리[4]와 박막형 가스센서[5]로 사용되었으나, ZnO 또는 ITO 박막 보다 열적, 화학적으로 안정하며 가격 또한 저렴하여, 최근에는 Ta 첨가형[6], Zn 첨가형[7], 그리고 SnO2/Ag/SnO2[8] 적층형 박막에 대한 연구결과가 보고되었다.

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