[논문]급속열처리에 따른 ZTO/Ag/ZTO 박막의 전기적, 광학적 특성 개선 효과

송영환; 엄태영; 허성보; 김대일

doi:10.12656/jksht.2017.30.4.151

급속열처리에 따른 ZTO/Ag/ZTO 박막의 전기적, 광학적 특성 개선 효과
Effect of Post-deposition Rapid Thermal Annealing on the Electrical and Optical Properties of ZTO/Ag/ZTO Tri-layer Thin Films 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.30 no.4, 2017년, pp.151 - 155

송영환 (울산대학교 첨단소재공학부) , 엄태영 (울산대학교 첨단소재공학부) , 허성보 (한국생산기술연구원 동남지역본부 기능성부품소재그룹) , 김대일 (울산대학교 첨단소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The ZTO single layer and ZTO/Ag/ZTO tri-layer films were deposited on glass substrates by using the radio frequency (RF) and direct current (DC) magnetron sputtering and then rapid thermal annealed (RTA) in a low pressure condition for 10 minutes at 150 and $300^{\circ}C$, respectively. As deposited tri-layer films show the 81.7% of visible transmittance and $4.88{\times}10^{-5}{\Omega}cm$ of electrical resistivity, while the films annealed at $300^{\circ}C$ show the increased visible transmittance of 82.8%. The electrical resistivity also decreased as low as $3.64{\times}10^{-5}{\Omega}cm$. From the observed results, it is concluded that rapid thermal annealing (RTA) is an attractive post-deposition process to optimize the opto-elecrtical properties of ZTO/Ag/ZTO tri-layer films for the various display applications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 RF와 DC 마그네트론 스퍼터를 이용하여 유리기판에 ZTO/Ag/ZTO 적층박막을 증착하고, 급속열처리(Rapid Thermal Annealing, RTA)를 실시하여 전기적, 광학적 특성 개선 효과를 고찰하였다. 급속열처리에 따른 박막의 전기적, 광학적 특성은 X선 회절분석기(X-ray diffraction, XRD), 원자간력현미경(Atomic force microscopy, AFM), 자외선-가시광 분광기(UV-Visible spectrophotometer)를 이용하여 측정하였으며, Figure of merit(FOM) 수치를 통하여 ZTO/Ag/ZTO 박막의 전기적, 광학적 완성도를 고찰하였다.

제안 방법

상온에서 증착된 박막과 열처리된 ZTO/Ag/ZTO 박막에서도 ZnO와 SnO₂ 박막의 결정성은 측정되지 않았으나, Ag(111) 회절피크는 상온증착조건에서도 검출 되었고, 회절피크의 세기(Intensity) 또한 열처리온도에 비례함을 보였다. Fig. 1의 Ag(111) 피크의 반가폭(Full width at half maximum)과 Scherrer 관계식(1)으로 Ag 층간막의 결정립 크기(D)를 측정하였다[6].
본 연구에서는 RF와 DC 마그네트론 스퍼터를 이용하여 유리기판에 ZTO/Ag/ZTO 적층박막을 증착하고, 급속열처리(Rapid Thermal Annealing, RTA)를 실시하여 전기적, 광학적 특성 개선 효과를 고찰하였다. 급속열처리에 따른 박막의 전기적, 광학적 특성은 X선 회절분석기(X-ray diffraction, XRD), 원자간력현미경(Atomic force microscopy, AFM), 자외선-가시광 분광기(UV-Visible spectrophotometer)를 이용하여 측정하였으며, Figure of merit(FOM) 수치를 통하여 ZTO/Ag/ZTO 박막의 전기적, 광학적 완성도를 고찰하였다.
박막의 전하밀도, 이동도 등의 전기적 특성은 비저항 측정기(HMS-3000, Ecopia)로 분석하였고, 표면의 Root Mean Square(RMS)거칠기(측정영역 2 × 2 μ㎡)는 원자간력현미경(XE-100 Park System)으로 측정하였다.
박막증착 후 저압(1 × 10−3 Torr) 급속열처리(RTA)는 유리기판의 변형을 방지하기 위하여 150℃와 300℃에서 10분간 실시하였고, 가시광 투과도(측정영역 300-800 nm)는 자외선-가시광 분광기(Cary 100Cone, Varian)로 측정하였으며, 박막의 결정성은 X선 회절분석기(Cu-kα, λ=0.15406 nm, X'ert pro MRD, philips, 한국기초과학지원연구원, KBSI 대구센터)로 측정하였다.
본 연구에서는 RF와 DC 마그네트론 스퍼터를 이용하여 유리기판에 ZTO 단층박막과 ZTO 50 nm/Ag 15 nm/ZTO 50 nm 적층박막을 증착하고 Ag 층간박막과 급속열처리(Rapid Thermal Annealing, RTA) 온도에 따른 박막의 구조적, 전기적, 광학적 특성변화를 고찰하였다.
본 연구에서는 유리기판(Corning 1797, 면적 20 × 20 ㎟)에 DC와 RF 마그네트론 스퍼터를 이용하여, 두께 100 nm의 ZTO 단층박막과 ZTO 50 nm/Ag 15 nm/ZTO 50 nm 적층형 박막을 제작하고 박막의 두께 및 증착율은 표면단차 측정기(Dektak-150, Varian)를 이용하여 분석하였다.
박막의 전하밀도, 이동도 등의 전기적 특성은 비저항 측정기(HMS-3000, Ecopia)로 분석하였고, 표면의 Root Mean Square(RMS)거칠기(측정영역 2 × 2 μ㎡)는 원자간력현미경(XE-100 Park System)으로 측정하였다. 증착 후 급속열처리에 따른 ZTO/Ag/ZTO 박막의 전기적 광학적 물성변화는 Figure of merit(FOM) 수치를 비교하여 고찰하였다[5].

성능/효과

3에 급속열처리 온도에 따른 가시광 투과도 변화를 나타내었다. ZTO 박막과 열처리 이전의 ZTO/Ag/ZTO 박막의 가시광 투과도는 각각 81.5%와 81.7%였으며, 300℃ 열처리 이후 ZTO/Ag/ZTO 박막의가시광 투과도는 82.8%로 증가하였다. 이는 S.
ZTO 박막의 비저항(8.82 Ωcm)은 Ag 중간층을 적용함에 따라서 전하밀도 증가에 의한 급격한 비저항 감소(4.88 × 10−5 Ωcm)를 보였으며, 급속열처리 온도가 증가함에 따라 ZTO/Ag/ZTO 적층박막의 전하밀도(Carrier density)와 이동도(Mobility)가 전반적으로 비례함을 보이며 전기비저항이 3.64 × 10−5Ωcm 까지 감소하였다.
1은 ZTO 단층박막과 급속열처리에 따른 ZTO/Ag/ZTO 적층박막의 X선 회절패턴이다. 상온에서 증착된 박막과 열처리된 ZTO/Ag/ZTO 박막에서도 ZnO와 SnO₂ 박막의 결정성은 측정되지 않았으나, Ag(111) 회절피크는 상온증착조건에서도 검출 되었고, 회절피크의 세기(Intensity) 또한 열처리온도에 비례함을 보였다. Fig.
열처리 이전의 ZTO/Ag/ZTO 박막(전하밀도 1.5 × 1022 cm−3)의 광학적 밴드-갭 에너지는 3.92 eV이며, 300℃ 열처리된 박막(전하밀도 1.9 × 1022 cm−3)의 광학적 밴드-갭 에너지는 3.95 eV 증가하여 급속열처리에 따른 박막의 전하밀도 증가와 광학적 밴드-갭 에너지는 비례 관계임을 알 수 있었다.
2에 급속열처리에 따른 박막의 RMS 표면거칠기를 나타내었다. 열처리이전의 ZTO 단층박막과 ZTO/Ag/ZTO 적층박막의 RMS 거칠기는 각각 3.5 nm와 3.2 nm로서 선행 보고된 J. Park의 ITO/Ni/ITO 박막 물성연구와 유사한 결과로서 층간 금속막의 상부 투명전극 표면거칠기 평탄화 효과를 확인할 수 있었다[7]. 급속열처리 이 후에도 박막의 표면거칠기는 온도에 비례하며 평탄화가 진행되었고, 300℃ 열처리 조건에서 2.
16 × 10⁻²Ω⁻¹로 증가하였다. 이상의 연구결과로부터 300℃ 급속열처리 공정이 ZTO/Ag/ZTO 박막의 전기적, 광학적 물성 최적화에 유효한 공정임을 알 수 있었다.
투명전극용 박막의 전기적, 광학적 완성도를 평가하는 FOM 수치 비교에서, 상온에서 증착된 ZTO 단층박막과 ZTO/Ag/ZTO 적층박막의 FOM 수치는 각각 1.46 × 10−7Ω−1, 2.71 × 10−2Ω−1이었으나, 300℃ 급속열처리 이후에 측정한 FOM 수치는 박막의 결정화와 표면평탄화로 인하여 최대 4.16 × 10−2Ω−1로 증가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	투명전도성 산화물박막의 특징은 무엇인가?	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. 특히 미량의 Sn이 첨가된 In2O3(ITO) 박막은 80% 이상의 높은 가시광 투과율과 낮은 비저항(<1 × 10−3Ωcm)을 동시에 갖기 때문에 대표적인 TCO 소재로 인정받았으나[1], 근래의 인듐(In) 희소성에 따른 가격상승과 화학적 불안전성으로 인하여 SnO2[2]와 Sn 첨가형 ZnO(ZTO)[3] 등의 대체 투명전극에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
	열처리 이후 ZTO/Ag/ZTO 박막의가시광 투과도가 증가한 원인은 무엇인가?	B. Heo의 선행연구[8]와 유사한 결과로서, 평탄화가 진행된 박막에서 가시광의 산란과 흡수율이 감소되기 때문에 가시광 투과도가 상대적으로 개선된 것으로 사료된다.
	박막의 전기적, 광학적 특성의 측정을 위해 사용되는 것은?	본 연구에서는 RF와 DC 마그네트론 스퍼터를 이용하여 유리기판에 ZTO/Ag/ZTO 적층박막을 증착하고, 급속열처리(Rapid Thermal Annealing, RTA)를 실시하여 전기적, 광학적 특성 개선 효과를 고찰하였다. 급속열처리에 따른 박막의 전기적, 광학적 특성은 X선 회절분석기(X-ray diffraction, XRD), 원자간력현미경(Atomic force microscopy, AFM), 자외선-가시광 분광기(UV-Visible spectrophotometer)를 이용하여 측정하였으며, Figure of merit(FOM) 수치를 통하여 ZTO/Ag/ZTO 박막의 전기적, 광학적 완성도를 고찰하였다.

참고문헌 (8)

D. Kim : Vacuum 81 (2006) 279-284.

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Y. H. Song, H. J. Moon and D. Kim : J. Korean. Soc. Heat Treat., 29 (2016) 163.

원문보기 상세보기
V. K. Jain, P. Kumar, M. Kumar, P. Jain and Y. K. Vijay : J. Alloys Compd., 509 (2011) 3541.

상세보기
H. J. Moon and D. Kim : Korean J. Met. Mater. 55 (2017) 209.

상세보기
G. Haacke : J. Appl. Phys., 47 (1976) 4086.

상세보기
B. D. Cullity : Elements of X-ray Diffractions, Addition-Wesley, Reading, MA, 1978.
J. H. Park, J. H. Chae and D. Kim : J. Alloys Compd., 478 (2009) 330.

상세보기
허성보 : 전자빔 조사 에너지에 따른 $GZO/TiO_2$ 박막의 물성변화, 울산대 석사학위논문 (2013) 40.

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