[논문]수소 유량에 따른 IZO 박막의 구조적 및 전기적 특성

홍경림; 이규만

수소 유량에 따른 IZO 박막의 구조적 및 전기적 특성
Structural and Electrical Characteristics of IZO Thin Films Deposited at Different Hydrogen Flow Rate 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.18 no.3, 2019년, pp.7 - 11

홍경림 (한국기술교육대학교 에너지신소재화학공학부) , 이규만 (한국기술교육대학교 에너지신소재화학공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

We have investigated the effect of the hydrogen flow rate on the characteristics of IZO thin films for the TCO (transparent conducting oxide). For this purpose, IZO thin films are deposited by RF magnetron sputtering at 300℃ with various H2 flow rate. To investigate the influences of the ambient gases, the flow rate of hydrogen in argon was varied from 0.1 sccm to 1 sccm. The IZO thin films deposited at 300℃ show crystalline structure having an (222) preferential orientation. The electrical resistivity of the crystalline-IZO films deposited at 300℃ and hydrogen gas of 0.8sccm was 3.192×10-4Ω cm, the lowest value. As the hydrogen gas flow rate increased, the resistivity tended to decrease. The XPS profiles showed that the number of oxygen vacancy decreased as the hydrogen flow rate increased. The transmittance of the IZO films deposited at 300℃ were showed more than 80%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이번 연구에서는 R.F. magnetron sputtering을 이용하여 IZO 박막을 증착하였으며 수소 유량의 변화가 박막의 구조적, 전기적 특성에 어떠한 영향을 미치는 지에 대해 분석하였다.

제안 방법

박막이 증착되는 유리기판은 아세톤과 메탄올로 각각 10분씩 초음파 세척하고 증류수로 헹군 뒤 질소가스로 건조 시켰다. IZO 타겟과 기판의 거리는 9cm이며 플라즈마 생성을 위한 Ar가스 및 reactive sputtering을 위한 반응성 가스인 H₂가스는 MFC(Mass Flow Controller)를 이용하여 유량을 조절하였다. 박막의 두께는 200nm로 고정했으며 최적의 실험 조건을 찾기 위해 증착 막에 영향을 줄 수 있는 공정조건들은 선행 실험을 통해 찾은 최적의 조건으로 고정하였으며 아래 Table 1에 나타내었다.
IZO박막의 구조적인 특성을 규명하기 위해서 X-ray diffraction (RIGAKU, RTP300RC)과 FESEM (JEOL, JSM7500F) 분석을 시행하였으며 표면학적 이해를 위해 AFM (PUCOTECH, MOD-1M) 분석을 시행하였다. 광학적 투과도는 Ultraviolet – spec trophotometer (Varian, cary-500)으로 측정 하였으며 비저항, 전하 농도, 전하 이동도 등의 전기적 특성은 Hall effect measurement (HMS-3000)로 측정하였다.
광학적 투과도는 Ultraviolet – spec trophotometer (Varian, cary-500)으로 측정 하였으며 비저항, 전하 농도, 전하 이동도 등의 전기적 특성은 Hall effect measurement (HMS-3000)로 측정하였다.
4)를 통해 수소유량이 증가할수록 캐리어 농도가 증가함을 확인하였고 이는 수소에 의해 챔버 내에 환원성 분위기가 형성되어 캐리어 생성기구인 산소공공이 증가하였기 때문이라고 판단하였다. 그래서 이를 확인하고자 모든 IZO 박막의 XPS분석을 실시한 뒤, O1s XPS spectra를 fitting하였다. Fig.
광학적 투과도는 Ultraviolet – spec trophotometer (Varian, cary-500)으로 측정 하였으며 비저항, 전하 농도, 전하 이동도 등의 전기적 특성은 Hall effect measurement (HMS-3000)로 측정하였다. 성분 분석 및 전기적 특성의 추가적 분석을 위해 XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy, Thermo, K-ALPHA)를 이용하여 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에서 IZO 박막은 지름이 3 inch인 In₂O₃₃/ZnO(90/10wt.%) 타겟을 사용하여 R.F. magnetron sputter 방법으로 코팅용 유리기판인 Corning 7059 glass 위에 증착 하였다. 박막이 증착되는 유리기판은 아세톤과 메탄올로 각각 10분씩 초음파 세척하고 증류수로 헹군 뒤 질소가스로 건조 시켰다.

성능/효과

(2) XPS 결과를 보면 수소 가스 유량이 증가할수록 oxygen vacancy와 관계된 middle peak의 면적이 점점 증가됨을 볼 수 있는데 이는 챔버 내에 수소 가스가 유입됨에 따라 증착시 환원성 분위기가 조성되었고 이로 인해 IZO 박막이 성장할 때 IZO의 산소가 환원되어 산소 공공이 늘어났으며 그 결과 middle peak의 면적이 증가하였다.
(3) 수소 가스 유량을 달리하며 300℃에서 증착하여 얻은 결정질 IZO 박막의 경우 수소 가스가 0.8sccm 유입되었을 때 비저항이 3.192x10^-4Ωcm로 가장 낮은 값을 가졌으며 이는 수소 가스가 유입됨에 따라 챔버 내 환원분위기가 조성되어 산소 공공이 늘어나 캐리어 농도가 증가하였기 때문이다.
(4) 300℃에서 증착된 IZO 박막 모두 가시광선 영역에서 약 80% 이상의 광투과도를 보였으며 TCO로써 필요한 광학적 특성을 가지고 있음을 나타내었다.
그래프에서 볼 수 있듯이 모든 수소 유량에서 2θ 각이 약 30.5°인 부근에서 c-축 우선성장을 통한 Bixbyite 구조의 In2O3(222)에 해당하는 Main peak가 존재하며 수소 가스 유량이 증가할수록 In2O3(622)의 Sub peak가 존재함을 볼 수 있다.
High peak (~532 eV)는 –OH기 등과 같은 표면 성분과 관련된 peak이다[14-15]. 본 연구에서는 hall measurement 결과 (Fig. 4)를 통해 수소유량이 증가할수록 캐리어 농도가 증가함을 확인하였고 이는 수소에 의해 챔버 내에 환원성 분위기가 형성되어 캐리어 생성기구인 산소공공이 증가하였기 때문이라고 판단하였다. 그래서 이를 확인하고자 모든 IZO 박막의 XPS분석을 실시한 뒤, O1s XPS spectra를 fitting하였다.
6은 수소 가스 유량에 따라 300℃에서 증착된 IZO 박막의 광투과도를 나타내었다. 수소 가스 유량과 관계없이 400~800nm 범위의 가시광 영역에서 약 80% 이상의 평균 투과율을 보였으며, TCO의 허용 투과율을 만족하는 결과로 투명전극으로써 응용이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 특히 수소유량이 4sccm에서 투과도 특성이 우수 한데 이는 Fig.
3의 AFM morphologies 를 통해 확인할 수 있다. 수소 가스 유량에 따라 표면 거칠기 값이 증가하는 경향을 보였다.
모든 수소 분위기에서 다각형 모양의 IZO 박막의 결정입자를 확인할 수가 있다. 수소 가스 유량이 증가할수록 다각형의 형태가 뚜렷해짐을 볼 수 있으며 결정성이 향상됨을 알 수 있다. 본 실험에서 수소의 도입량이 증가할수록 결정성이 증가하게 되는 것은 챔버 내의 수소 도입량이 많아질수록 비화학 양론에 의한 금속 성분들 증가되고 과량의 수소가 도입되게 되면 고농도의 수소플라즈마 분위기에 노출된 박막 표면에 In이나 Zn가 환원되어 나타나기 때문이다[12].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	투명 전도성 산화물 중 높은 투과도를 갖는 ITO 박막을 생산하는데 갖는 한계점은 무엇인가?	ITO 박막은 n형 반도체의 특성을 나타내는 산화물 반도체로 넓은 밴드갭과 함께 가시광선 영역에서 높은 투과율을 보이며 전기 전도성 역시 좋기 때문에 박막형 디스플레이 분야에서 다양하게 사용되어지고 있다[7-8]. 그러나 낮은 비저항과 높은 투과도를 갖는 ITO 박막을 얻기 위해서는 300℃ 이상의 고온에서 증착하여야만 하고, 원료물질인 In의 수급량 부족으로 인한 문제점과 독성, 스퍼터링 시음이온 충격에 의한 박막손상과 그에 따른 저항 증가의 문제점을 가지고 있다. 또한 유기발광소자의 투명전극으로 쓰일 경우에는 유기물과의 계면 부적합성, 액정 디스플레이 소자 제작 시 400℃ 정도의 높은 온도와 수소 플라즈마 분위기 속에 장시간 노출되게 되는데 이 경우 투명 전도막 표면에 In이나 Sn이 환원되어 나타남으로서 전기 및 광학적 특성이 현저히 저하된다는 단점울 가지고 있다[8].
	투명전극으로 사용하는 소재는 무엇이 있는가?	현재 투명전극으로 사용하는 소재로는 TCO (Transparent Conducting Oxide), 은나노 와이어 (Silver Nanowire), 탄소나노튜브 (Carbon Nanotube), 그래핀 (Graphene), 전도성 고분자 (Conducting Polymer) 등이 연구 되고 있다. 투명 전도성 산화물 (Transparent Conducting Oxide) 박막 중 가장 널리 사용 되고 있는 물질은 ITO (Sn doped In2O3)이다.
	ITO 박막은 어떤 특성을 나타내는 반도체인가?	투명 전도성 산화물 (Transparent Conducting Oxide) 박막 중 가장 널리 사용 되고 있는 물질은 ITO (Sn doped In2O3)이다. ITO 박막은 n형 반도체의 특성을 나타내는 산화물 반도체로 넓은 밴드갭과 함께 가시광선 영역에서 높은 투과율을 보이며 전기 전도성 역시 좋기 때문에 박막형 디스플레이 분야에서 다양하게 사용되어지고 있다[7-8]. 그러나 낮은 비저항과 높은 투과도를 갖는 ITO 박막을 얻기 위해서는 300℃ 이상의 고온에서 증착하여야만 하고, 원료물질인 In의 수급량 부족으로 인한 문제점과 독성, 스퍼터링 시음이온 충격에 의한 박막손상과 그에 따른 저항 증가의 문제점을 가지고 있다.

참고문헌 (15)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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