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문제 정의
- 본 연구에서는 2세대급 in-line sputter 장비를 사용하여 CIGS 태양전지의 윈도우 층으로서의 n-type AZO박막의 최적화를 위한 방법의 일부로서 공정압력 변화에 따른 AZO박막 특성을 관찰하고 분석하였다. 공정 압력이 증가할수록 AZO 박막의 두께가 감소하였고 면저항 및 비저항은 반대로 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
제안 방법
- 본 실험에서는 2세대 크기의 인-라인 스퍼터 시스템을 이용하여 pulsed DC스퍼터링 방식을 적용, 박막을 성장시켰으며, 대형 스퍼터 장비에서의 압력의 변화에 따라 AZO 박막의 두께 및 투과율, 전기적 특성에 유의미한 변화 및 경향성 여부를 확인하였다. 또한 X선 회절 분석법 (X-ray diffraction : XRD)을 이용하여 박막의 결정화를 분석해보았다.
- 1 mm의 두께를 가지는 soda-lime glass가 기판으로 사용되었다. 이 soda-lime glass를 글라스용 세정제(HG-08)를 이용하여 2세대 크기의 글라스 세정이 가능한 인-라인 세정기내에서 세정을 실시하였다. 세정 후 동일 장비상에서 초순수(deionized water : D.
- Load-lock chamber에서 process chamber로 기판을 이송한 후 3×10-6 torr까지 진공도를 떨어뜨린 후 Table 1과 같은 공정조건에서 pulsed DC power (advanced energy pinnacle) 를 적용하여 스퍼터링 공정을 진행하였다. 공정압력은 순차적으로 9, 10, 12, 14, 15 mtorr로 상승시켜 실험을 하였다. 스퍼터링 동안 Jig를 30 cm/min (10Hz) 의 속도로 스캔을 시켜 2세대급 기판 전면에 AZO 박막 형성이 가능하도록 하였고, 증착시 Pulsed DC power는 3kW로 고정하였다.
- 공정압력은 순차적으로 9, 10, 12, 14, 15 mtorr로 상승시켜 실험을 하였다. 스퍼터링 동안 Jig를 30 cm/min (10Hz) 의 속도로 스캔을 시켜 2세대급 기판 전면에 AZO 박막 형성이 가능하도록 하였고, 증착시 Pulsed DC power는 3kW로 고정하였다. 또한 궁극적으로 플렉서블 기판 등에 적용 가능한 여부도 시험하고자 별도의 온도를 가하지 않고 상온에서 스퍼터링을 실시하였으며 [4], 아르곤 및 산소의 가스량은 각각 50 sccm과 1 sccm, 펄스 주파수는 200 kHz, 듀티비는 80 %로 값을 고정시켰다.
- 스퍼터링 동안 Jig를 30 cm/min (10Hz) 의 속도로 스캔을 시켜 2세대급 기판 전면에 AZO 박막 형성이 가능하도록 하였고, 증착시 Pulsed DC power는 3kW로 고정하였다. 또한 궁극적으로 플렉서블 기판 등에 적용 가능한 여부도 시험하고자 별도의 온도를 가하지 않고 상온에서 스퍼터링을 실시하였으며 [4], 아르곤 및 산소의 가스량은 각각 50 sccm과 1 sccm, 펄스 주파수는 200 kHz, 듀티비는 80 %로 값을 고정시켰다.
- 박막 형성 후에는 표면 단차 측정기(KLA TENCOR, alpha-step 500)를 이용하여 박막의 두께를 측정하였고, UV-visible spectrophotometer (VARIAN, Cary 100)를 이용하여 광학적 투과도를 측정하였다. 또한 박막의 면저항은 4점 탐침기(4-point probe, AIT, CMT-SR2000N)를 이용하여 측정하였다.
- 박막 형성 후에는 표면 단차 측정기(KLA TENCOR, alpha-step 500)를 이용하여 박막의 두께를 측정하였고, UV-visible spectrophotometer (VARIAN, Cary 100)를 이용하여 광학적 투과도를 측정하였다. 또한 박막의 면저항은 4점 탐침기(4-point probe, AIT, CMT-SR2000N)를 이용하여 측정하였다. 마지막으로는 XRD 분석은AlK (1486.
- 또한 박막의 면저항은 4점 탐침기(4-point probe, AIT, CMT-SR2000N)를 이용하여 측정하였다. 마지막으로는 XRD 분석은AlK (1486.6 eV) X-ray 어노드를 가진 Thermo VG Scientific Escalal 250 system을 이용하여 측정 되었다.
대상 데이터
- CIGS의 윈도우 층으로 적용 가능한 AZO 박막을 스퍼터링으로 형성하기 위해 2세대급(370 mm × 470 mm) 크기와 1.1 mm의 두께를 가지는 soda-lime glass가 기판으로 사용되었다.
- 이번 실험에 사용된 AZO 타겟은 ZnO : Al중량비(wt%)가 98:2이고 크기는 520 mm×160 mm이었다.
- 하지만 ITO의 구성 원소인 In의 매장량 제한과 독성 등의 단점으로 현재 ITO를 대체할 TCO에 대해 많은 연구가 진행되고 있다. 이번 연구에서는 수많은 TCO 중에서 CIGS의 윈도우층으로 많이 사용되는 요구조건인 10-4 ~10-3 Ω/□값의 면저항과 높은 전도도 및 80 % 이상의 높은 광투과율을 만족하며 낮은 재료 가격을 가지는 알루미늄 도핑된 산화아연(aluminum doped zinc oxide : AZO) 박막을 적용하려고 한다 [2-3].
이론/모형
- 본 실험에서는 2세대 크기의 인-라인 스퍼터 시스템을 이용하여 pulsed DC스퍼터링 방식을 적용, 박막을 성장시켰으며, 대형 스퍼터 장비에서의 압력의 변화에 따라 AZO 박막의 두께 및 투과율, 전기적 특성에 유의미한 변화 및 경향성 여부를 확인하였다. 또한 X선 회절 분석법 (X-ray diffraction : XRD)을 이용하여 박막의 결정화를 분석해보았다.
- 7의 XRD 분석 결과를 더 정밀하게 보기 위해 Grain size, full width half maximum (FWHM), Peak position, Peak intensity별로 나타낸 결과를 보여준다. AZO 박막의 Grain size는 Scherrer의 방정식을 이용하였고 이는 아래 식과 같다.
성능/효과
- 2와 같이 확인할 수 있었다. 공정압력을 9 mtorr부터 15 mtorr까지 증가시킬수록 AZO 박막의 단차 가 약 1330 Ǻ으로부터 약 1000 Ǻ까지 점점 감소함을 확인할 수 있다. 이는 스퍼터링 공정 중 압력이 점점 증가할수록 AZO타겟으로부터 분리된 성분이 기판까지 도달하기가 scattering 현상에 의하여 어려워지므로 결국 AZO의 두께가 감소하기 때문으로 볼 수 있다.
- 공정압력이 9 mtorr에서 15 mtorr로 상승함에 따라 면저항이 증가하는 경향을 보여준다. 특히, 공정압력이 10 mtorr에서 12 mtorr으로 변화할 때 3177.6 Ω/□에서 52432.7 Ω/□로 면저항이 급격히 증가하며 그 이후에도 증가하는 정도가 큰 것을 확인할 수 있다. 면저항과 마찬가지로 공정압력이 증가할수록 비저항도 증가하는 경향을 보였다.
- 5에 나타내고 있다. 파장에 따른 투과도 스펙트럼 변화는 압력이 증가할수록 보다 낮은 파장대에서부터 투과율이 상승하는 것을 확인할 수 있었으며, 12 mtorr 이상에서는 거의 일정한 투과율 그래프를 보여주었다. 400~800 nm의 가시광 영역에서의 평균 투과도는 공정 압력이 증가함에 따라 서서히 감소하는 경향을 나타내지만, 550 nm에서의 투과도는 공정압력에 따른 변화가 거의 없음을 확인할 수 있었다.
- 파장에 따른 투과도 스펙트럼 변화는 압력이 증가할수록 보다 낮은 파장대에서부터 투과율이 상승하는 것을 확인할 수 있었으며, 12 mtorr 이상에서는 거의 일정한 투과율 그래프를 보여주었다. 400~800 nm의 가시광 영역에서의 평균 투과도는 공정 압력이 증가함에 따라 서서히 감소하는 경향을 나타내지만, 550 nm에서의 투과도는 공정압력에 따른 변화가 거의 없음을 확인할 수 있었다.
- 는 FWHM 그리고 θ는 AZO의 peak 위치에서의 회절각을 나타낸다. 계산된 grain size는 21.1 ~ 23.9 nm의 크기를 보이고, 특히 공정압력이 10 mtorr일 때 최대치인 23.88 nm의 값을 나타내었다. 더불어 XRD peak intensity 가 공정압력이 10 mtorr 일 때 가장 큰 값을 가지며 FWHM이 작아짐을 관찰할 수 있었다.
- 88 nm의 값을 나타내었다. 더불어 XRD peak intensity 가 공정압력이 10 mtorr 일 때 가장 큰 값을 가지며 FWHM이 작아짐을 관찰할 수 있었다. Peak position은 모든 박막이 33.
- 본 연구에서는 2세대급 in-line sputter 장비를 사용하여 CIGS 태양전지의 윈도우 층으로서의 n-type AZO박막의 최적화를 위한 방법의 일부로서 공정압력 변화에 따른 AZO박막 특성을 관찰하고 분석하였다. 공정 압력이 증가할수록 AZO 박막의 두께가 감소하였고 면저항 및 비저항은 반대로 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 공정 압력이 증가할수록 가시광선 영역(400 nm ~ 800 nm)에서 광학적 투과도가 조금 낮아지는 경향이 있는 것을 확인하였고, F.
- 공정 압력이 증가할수록 AZO 박막의 두께가 감소하였고 면저항 및 비저항은 반대로 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 공정 압력이 증가할수록 가시광선 영역(400 nm ~ 800 nm)에서 광학적 투과도가 조금 낮아지는 경향이 있는 것을 확인하였고, F.O.M 값은 면저항의 변화에 큰 영향을 받아서 압력이 증가할수록 감소하는 것으로 계산되었다. AZO 박막의 결정성에 대한 XRD 분석결과는 모든 박막이 (002)면으로 성장한 것으로 확인되었다.
- M 값은 면저항의 변화에 큰 영향을 받아서 압력이 증가할수록 감소하는 것으로 계산되었다. AZO 박막의 결정성에 대한 XRD 분석결과는 모든 박막이 (002)면으로 성장한 것으로 확인되었다. 다만, XRD peak intensity는 공정 압력이 10 mtorr 일 때 가장 큰 값을 가지지만 그 외의 XRD 결과에는 영향을 미치지 못하는 것으로 확인되었다.
- AZO 박막의 결정성에 대한 XRD 분석결과는 모든 박막이 (002)면으로 성장한 것으로 확인되었다. 다만, XRD peak intensity는 공정 압력이 10 mtorr 일 때 가장 큰 값을 가지지만 그 외의 XRD 결과에는 영향을 미치지 못하는 것으로 확인되었다.
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