[논문]질소분위기 열처리에 따른 SnO2 박막의 구조적, 전기광학적 특성 변화

송영환; 엄태영; 허성보; 김준호; 김대일

doi:10.12656/jksht.2017.30.1.1

질소분위기 열처리에 따른 SnO2 박막의 구조적, 전기광학적 특성 변화
Effect of Post-deposition Annealing in a Nitrogen Atmosphere on the Properties of SnO2 Thin Films 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.30 no.1, 2017년, pp.1 - 5

송영환 (울산대학교 첨단소재공학부) , 엄태영 (울산대학교 첨단소재공학부) , 허성보 (한국생산기술연구원, 첨단하이브리드생산기술센터) , 김준호 (한국생산기술연구원, 첨단하이브리드생산기술센터) , 김대일 (울산대학교 첨단소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A 100 nm thick $SnO_2$ thin films were prepared by radio frequency magnetron sputtering on glass substrates and then annealed in nitrogen atmosphere for 30 minutes at 100, 200, and $300^{\circ}C$, respectively. While the visible light transmittance and electrical resistivity of as deposited $SnO_2$ films were 81.8% and $1.5{\times}10^{-2}{\Omega}cm$, respectively, the films annealed at $200^{\circ}C$ show the increased optical transmittance of 82.8% and the electrical resistivity also decreased as low as $4.3{\times}10^{-3}{\Omega}cm$. From the observed results, it is concluded that post-deposition annealing in nitrogen atmosphere at $200^{\circ}C$ is an attractive condition to optimize the optical and electrical properties of $SnO_2$ thin films for the various display device applications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 산화물 증착이 용이한 RF 마그네트론 스퍼터를 이용하여 두께 100 nm의 SnO₂ 박막을 유리기판에 증착하고, 전기적, 광학적 특성을 최적화하기 위하여 증착 후 저압 질소분위기에서 열처리를 실시하였다. 열처리 온도를 달리하면서 박막의 구조적, 전기적, 광학적 특성을 X선 회절분석기(Xray diffraction, XRD), 원자간력현미경(Atomic force microscopy, AFM), 그리고 자외선-가시광 분광기(UV-Visible spectrophotometer)를 이용하여 분석하였으며, Figure of merit(FOM) 수치를 통하여 열처리 온도에 따른 박막의 전기광학적 완성도(Optoelectrical performance)를 고찰하였다.
박막을 유리기판에 증착하고, 전기적, 광학적 특성을 최적화하기 위하여 증착 후 저압 질소분위기에서 열처리를 실시하였다. 열처리 온도를 달리하면서 박막의 구조적, 전기적, 광학적 특성을 X선 회절분석기(Xray diffraction, XRD), 원자간력현미경(Atomic force microscopy, AFM), 그리고 자외선-가시광 분광기(UV-Visible spectrophotometer)를 이용하여 분석하였으며, Figure of merit(FOM) 수치를 통하여 열처리 온도에 따른 박막의 전기광학적 완성도(Optoelectrical performance)를 고찰하였다.

제안 방법

15406 nm, X’pert pro MRD, philips, KBSI 대구센터)를 이용하였으며, 전하밀도(Charge density), 이동도(Mobility)등의 전기적 특성은 Van der pauw법을 적용한 홀-효과(Hall Effect) 측정장치(HMS-3000, Ecopia)로 분석하였다. SnO₂ 박막의 가시광 투과도와 비저항에 영향을 미치는 표면조도는 원자간력현미경(XE-100, Park System)을 이용하여 Root mean square (RMS) roughness를 측정하였고, 질소분위기 열처리를 이용한 SnO₂ 박막의 전기적, 광학적 특성 최적화는 FOM 수치 비교를 통하여 고찰하였다[8].
본 연구에서는 RF 마그네트론 스퍼터를 이용하여 100 nm 두께의 SnO₂ 박막을 유리기판에 증착하고 100, 200, 300℃에서 30분간 질소분위기 열처리한 이후에, SnO₂ 박막의 구조적, 전기적, 광학적 특성변화를 고찰하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 두께 100 nm의 SnO₂ 박막을 기판가열 없이 유리기판(Corning 1797, 면적 20 × 20mm²)에 RF 마그네트론 스퍼터와 고순도 SnO₂(Size; 3 Inch, Purity; 99.99.%) 타겟을 이용하여 제작하였다. 증착 전 기판은 아세톤, 이소프로필 알코올, 증류수 순서로 10분간 초음파 세척기로 세척 후, 질소가스로 건조하였으며, Table 1에 증착 및 열처리 조건을 나타내었다.

이론/모형

박막의 FOM수치를 나타내었다. FOM은 투명 전도성 소재의 전기적, 광학적 물성을 비교 할 수 있는 척도로서 가시광 투과율과 전기전도도는 서로 반비례 되는 관계를 가지기 때문에 가시광 투과도와 전기전도도의 선택적 제어가 필요하며 FOM수치를 산출하는 G.Haacke 관계식 (2)은 다음과 같다[8].
Fig. 1에서 300℃ 열처리된 박막에서 검출된 회절피크의 반가폭 (Full width at half maximum)과 Scherrer 관계식(1)으로 박막의 결정립 크기(D)를 측정하였다[9].

성능/효과

X선 회절분석을 통하여 300℃에서 열처리된 박막이 결정화 됨을 측정하였고, 원자간력현미경 분석을 통하여 표면 RMS거칠기 또한 상대적으로 증가함을 알 수 있었다.
본 연구결과로부터 저압 200℃ 질소분위기 열처리공정이 SnO₂ 박막의 전기적, 광학적 물성 최적화에 유효함을 알 수 있었다.
투명전극용 박막의 완성도를 평가하는 FOM 수치 비교에서, 상온 증착된 SnO₂ 박막의 FOM 수치는 8.49 × 10⁻⁵ Ω⁻¹ 이었으나, 200℃ 열처리 이후에 측정한 FOM 수치는 최대 3.35 × 10⁻⁴ Ω⁻¹ 로 증가함을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	투명전극용 금속산화물은 어디에 활용되는가?	미량의 Sn이 첨가된 In2O3(ITO)와 Ga이 첨가된 ZnO(GZO) 박막 같은 투명전극용 금속산화물(Transparent Conductive Oxide; TCO)은 낮은 면저항(<1000 Ω/□)과 80% 이상의 높은 가시광 투과율을 동시에 갖기 때문에 다양한 표시소자(display device) 및 태양전지의 전극재로 활용되고 있다[1].
	본 연구에서 SnO2 박막의 구조적, 전기적, 광학적 특성을 무엇을 통해 분석하였는가?	본 연구에서는 산화물 증착이 용이한 RF 마그네트론 스퍼터를 이용하여 두께 100 nm의 SnO2 박막을 유리기판에 증착하고, 전기적, 광학적 특성을 최적화하기 위하여 증착 후 저압 질소분위기에서 열처리를 실시하였다. 열처리 온도를 달리하면서 박막의 구조적, 전기적, 광학적 특성을 X선 회절분석기(Xray diffraction, XRD), 원자간력현미경(Atomic force microscopy, AFM), 그리고 자외선-가시광 분광기(UV-Visible spectrophotometer)를 이용하여 분석하였으며, Figure of merit(FOM) 수치를 통하여 열처리 온도에 따른 박막의 전기광학적 완성도(Optoelectrical performance)를 고찰하였다.
	투명전극용 금속산화물의 면저항과 가시광 투과율에 대한 특징은 무엇인가?	미량의 Sn이 첨가된 In2O3(ITO)와 Ga이 첨가된 ZnO(GZO) 박막 같은 투명전극용 금속산화물(Transparent Conductive Oxide; TCO)은 낮은 면저항(<1000 Ω/□)과 80% 이상의 높은 가시광 투과율을 동시에 갖기 때문에 다양한 표시소자(display device) 및 태양전지의 전극재로 활용되고 있다[1].

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허성보 : 전자빔 조사 에너지에 따른 GZO/ $TiO_2$ 박막의 물성변화, 울산대 석사학위논문 (2013).

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