[논문]이산화규소 증착된 스테인레스 기판위에 형성된 은 금속 박막의 급속 열처리에 대한 효과

김경보

doi:10.22156/cs4smb.2020.10.08.137

이산화규소 증착된 스테인레스 기판위에 형성된 은 금속 박막의 급속 열처리에 대한 효과
Rapid Thermal Annealing for Ag Layers on SiO2 Coated Metal Foils 원문보기

융합정보논문지 = Journal of Convergence for Information Technology, v.10 no.8, 2020년, pp.137 - 143

초록
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SiO2 증착된 금속 호일 기판에 형성된 은 금속 박막의 급속 열처리에 대한 물리적 및 화학적 특성 영향을 조사하였다. 은 박막을 150도에서 550도까지 온도를 변화시키며, 각 온도에서 20분 동안 급속 열처리를 진행하였다. 550도에서 표면 거칠기와 저항이 급격하게 증가하는 현상을 발견하였다. 따라서 550도의 열처리 온도 샘플에 대해 조성 분석 기법을 사용하였고, 은 필름 표면에 산소 (O) 및 실리콘 (Si) 원자가 존재함을 확인하였다. 박막의 광학적 특성인, 전체 반사율은 온도가 증가함에 따라 감소하였으며, 특히 550도에서 공정을 진행한 박막은 박막 및 기판 표면으로부터의 다중 반사에 의한 광학적 간섭으로 인해 정현파 특성을 나타냄을 확인하였다. 이러한 현상은 급속 열처리 동안 SiO2 층으로부터 Si 원자의 외부 확산에 기인한 것이다. 본 연구 결과는 다양한 플렉서블 광전자소자의 기판으로 사용할 수 있는 가능성을 제공한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study examined the effects of rapid thermal annealing (RTA) on the physical and chemical characteristics of thin silver (Ag) layers on SiO2 coated metal foils. Ag layers were annealed at various temperatures of the range between 150 ℃ and 550 ℃ for 20 min. The surface roughness and resistivity are increased at the annealing temperatures of 550 ℃. We also found that oxygen (O) and silicon (Si) atoms exist at the Ag film surface by using compositional analysis in the annealing temperatures of 550 ℃. The total reflectance is decreased with increasing temperature. These phenomena are due to an out-diffusion of Si atoms from SiO2 layers during the RTA annealing. The results offer the possibility of using it as a substrate for various flexible optoelectronic devices.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Equipment system consisted of E-beam, PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), and RTA.
$Fig. 2. (a) SEM top-view image and (b) electron backscatter diffraction (EBSD) distribution graphs showing surface grain sizes of as-deposited film on SiO2 deposited metal substrates.$ 그림 Fig. 2. (a) SEM top-view image and (b) electron backscatter diffraction (EBSD) distribution graphs showing surface grain sizes of as-deposited film on SiO2 deposited metal substrates.
그림 Fig. 3. SEM top-view images of Ag layers on SiO2 formed metal substrates after the annealing process at (a) 150, (b) 250, (c) 350, (d) 450, and (e) 550 oC.
그림 Fig. 4. XPS spectra of (a) Ag films annealed at 150, 250, 350, 450, and 550 oC in the range of 0-800 eV, (b) showing O1s peaks of Ag films annealed at 350, 450, and 550 oC, and (c) showing Si2p peaks of Ag films annealed at 150, 250, 350, 450, and 550 oC.
그림 Fig. 5. (a) Specimen for APT analysis. A carbon layer was coated at the tip. (b) Three dimensional reconstruction with iso-concentration surfaces of silver, oxygen, and silicon for the Ag sample annealed at 550 oC (See the red line mark in Fig. 2(e)).
그림 Fig. 6. Surface roughness showing the morphology of 3D profile images for Ag films as-deposited and annealed at 150, 250, 350, 450, and 550 oC in a scanning area of 0.5 × 0.25 mm.
그림 Fig. 7. Electrical resistivity for Ag films as-deposited and annealed at 150, 250, 350, 450, and 550 oC.
그림 Fig. 8. Reflectance for Ag films as-deposited and annealed at 150, 250, 350, 450, and 550 oC.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 SiO₂ 증착된 금속 시트에 Ag 층을 형성한 후 급속열처리하여 은 박막의 빛(광학)과 전기 특성에 대한 연구를 수행하였다. Ag 층의 표면 형태는 어닐링 온도에 따른 형상을 관찰하였으며, Ag/SiO₂/Metal 구조의 전기 및 광학 특성을 분석하기 위해 저항 및 광학 반사도를 측정하였다.
이 연구는, 열처리에 의한 은 박막의 구조 (크기 및 형상)의 변화에 대한 것이다. 온도가 250도에서 550도로 증가할 때, 갭 크기의 증가가 관찰되었다.

제안 방법

산소 플라즈마를 사용한 반응성 이온 에칭 프로세스는 금속 증착 전에 가능한 표면 오염을 제거하는데 매우 효과적이었다. 3.9Pa (즉, 30mTorr)의 내부압력, 20도의 온도 및 300W 파워로 5분 동안 진행하였다. 다음으로, 어닐링 전에 SiO₂ 및 Ag 층을 형성하기 위해, 화학 기상 증착 (PECVD) 및 전자빔 증발 (E-beam evaporation) 기술에 의해 1μm SiO₂와 100nm Ag가 증착되었다.
300μm × 700μm의 분석 영역을 사용하여 고해상도 스펙트럼을 추출하였다.
증착된 금속 시트에 Ag 층을 형성한 후 급속열처리하여 은 박막의 빛(광학)과 전기 특성에 대한 연구를 수행하였다. Ag 층의 표면 형태는 어닐링 온도에 따른 형상을 관찰하였으며, Ag/SiO₂/Metal 구조의 전기 및 광학 특성을 분석하기 위해 저항 및 광학 반사도를 측정하였다. 연구 내용들은 최근 다양하게 연구되고 있는 4차 산업의 중요한 부품인 광센서를 제작하기 위한 박막으로 응용 및 융합가능하다.
특히, 높은 표면 조도는 국부적인 높은 전기장을 생성함으로써 재료의 특성을 악화시킬 수 있다. SiO₂ 증착 된 기판상에서의 RTA 공정에 의한 Ag 층의 표면 거칠기 효과를 관찰하기 위해, Veeco 500-L 장비를 이용한 비접촉 3D 프로파일러 측정을 수행하였다.
XPS 방법은 다양한 온도에서 처리된 은 층의 표면 형태 정보를 설명하기에 충분하지 않다. 따라서, 550도에서 어닐링된 Ag 층에서 Si, O 및 Ag 원자의 상세한 분포를 조사하기 위해 원자 프로브 단층 촬영 (APT: Atom Probe Tomography) 분석을 추가로 수행하였다. APT는 원자 규모 (약 0.
베이스 챔버 압력은 1×10^-4Torr다. 온도에 따른 Ag 막의 영향성을 확인하기 위해 20 분 동안 150도, 250도, 350도, 450도, 550도 수행되었다.

대상 데이터

100mW/cm²의 전력 밀도를 상부 전극에 적용하고 하부 전극을 접지시켰다. SiO₂를 형성하기 위한 소스 물질은 SiH₄ 가스이다. 공정 압력 및 기판 온도는 각각 2Torr와 300도였다.
본 실험에서는 Ag 및 SiO₂ 층의 증착을 위해 127㎛ 두께의 금속 호일을 사용하였다. 이 금속 호일을 사용한 이유는 현재 양산되는 금속 소재 중에서 가장 낮은 거칠기 특성을 나타내어 실제 태양 전지 생산에 이용되었기 때문이다.

이론/모형

Ag 막과 기판 사이의 화학 반응을 조사하기 위해, Fig. 4에서와 같이 XPS 광전자 분석법 (XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy) 분석을 사용하였다. 300μm × 700μm의 분석 영역을 사용하여 고해상도 스펙트럼을 추출하였다.

성능/효과

550도 어닐링 온도에서 갭 크기 및 표면 거칠기가 급격하게 증가하는 현상이 발생한다. 또한, Ag 층의 전기적 및 광학적 특성을 측정하였고, 어닐링 온도가 증가함에 따라 저항률이 증가하였으며, 550도에서 어닐링된 막은 박막 및 기판 표면으로부터 야기된 다중 반사의 광학적 간섭으로 인해 정현파 진동에 의한 반사 효과를 나타냈다. 이러한 변화는 SEM, XPS 및 3D 프로파일러 분석으로부터 알 수 있듯이, 열처리로 인한 Si 원자의 확산 및 Ag 산화 때문이다.
모든 샘플은 산소플라즈마에 의해 처리되었다. 산소 플라즈마를 사용한 반응성 이온 에칭 프로세스는 금속 증착 전에 가능한 표면 오염을 제거하는데 매우 효과적이었다. 3.
저온 영역(150도에서 450도)에서, 입자의 응집이 발생하기 때문에 어닐링 온도가 올라감에 따라 입자 사이즈가 증가하는 것으로 관찰되었다. 박막이 250도에서 열처리될 때, 입자가 분리되기 시작하고 갭이 형성되었다.

후속연구

연구내용들은 스마트팩토리, 무인자동차, 드론 등 광센서가 적용되는 분야에서 광소자의 재료로 나 플렉서블 AMOLED 디스플레이에 응용이 가능할 것이다[17,18].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	급속열처리 기술의 장점은?	샘플에 열을 가하기 위하여 급속열처리(RTA: Rapid Thermal Annnealing) 기술을 사용하였으며, 이 기술은 열처리에 사용되는 furnace 장비보다 원하는 온도까지 빨리 상승시키고 하강시키는 장점을 가지고 있어 반도체 기술에서 많이 활용되고 있다.
	유전체 기판에 형성된 Ag 층은 무엇을 향상시키는가?	이전 연구에서 은 나노 입자의 크기와 모양, 박막의 표면 거칠기는 Ag 층의 광학적 또는 전기적 특성에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다 [7,8]. 유전체 기판에 형성된 은막은 표면 분자의 적외선 흡수를 향상시킨다 [9]. 나노 입자의 크기, 내부 및 표면의 구조 및 구성은 전체적인 특성을 결정한다.
	금속 시트의 장점은?	금속 호일 또는 폴리머 시트는 일반적으로 롤 투롤 공정을 적용하여 유연 전자 소자 제작에 사용된다[10,11]. 특히, 금속 시트는 폴리머 기판과 비교하여 더 높은 내화학적 안정성 및 낮은 열 저항과 같은 많은 장점을 갖는다. 또한, 수증기 및 산소가 기판을 통해 이동하는 것을 방지하기 위해 패시베이션 재료가 필요하지 않다.

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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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